Методы биомеханики

Реферат

Биомеханика является сложной дисциплиной, она объединяет знания из разных областей науки. Поэтому методы биомеханики можно рассматривать с разных позиций: медицинской и механической. Исходя из медицинской точки зрения, методы биомеханики — это, в первую очередь, методы диагностики, которые включают в себя клинические тесты, нахождение механических свойств изучаемого объекта, визуализацию внутренних органов, инвазивные процедуры. Клинические тесты применяются медицинскими сотрудниками при первичном осмотре. К методам визуализации относятся магнитно-резонансная томография, рентгенография, видеорентгенография и т.д. Инвазивный метод диагностики — это процедура, при которой происходит проникновение через кожный покров с целью поставить диагноз. Наиболее часто этот метод применяют для электрофизиологического исследования сердца, двигательной функции позвоночника и генетической проверки эмбриона.

А с позиции механики — это моделирование и численные методы. Моделирование — это процесс создания модели для конкретной задачи. Он включает в себя выявление качественных особенностей изучаемого объекта, а также количественные характеристики, полученные из экспериментов.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОМЕХАНИКЕ

1.1. Понятие метода исследованиЯ

Метод (греч. methodos – путь к чему-либо) – в самом общем значении – способ достижения цели, определенным образом упорядоченная деятельность.

Метод исследования выбирают исходя из условий проведения и задач исследования. К методу исследования и обеспечивающей его аппаратуре предъявляют следующие 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 искажать результаты и мешать испытуемому;
  • Метод и аппаратура должны обеспечивать оперативность получения результата.

Пример. Тренер и спортсмен поставили цель улучшить результат в беге на 100 м на 0,1 с. Спринтер пробегает дистанцию 100 м за 50 шагов, следовательно, время каждого шага должно в среднем быть уменьшено на 0,002 с. Очевидно, для получения достоверного результата, погрешность измерения длительности шага не должна превышать 0.0001 с.

1.2. Этапы измерений

В исследовании какого-либо явления существуют три этапа:

Измерение механических характеристик.

3 стр., 1489 слов

Обработка результатов косвенных измерений

... методам исследования, совершенствуя их, применяя более точные приборы, следя за их исправностью и т.д. Случайные погрешности, Промахи или грубые погрешности 3 . Обработка результатов измерений Различают прямые и косвенные измерения. ... используемой измерительной аппаратуры, * несовершенство используемого метода измерений; плохая настройка измерительной аппаратуры; недостаточное постоянство условий ...

Измерение механических характеристик осуществляется на основе описываемых в этой лекции методов.

Обработка результатов исследования.

В настоящее время для обработки результатов используют специальные компьютерные программы. Так. Например, компьютерная программа Video Motion, предназначенная для атлетизма, позволяет на основе данных видеосъемки рассчитать траекторию, скорость и ускорение движения любой точки тела спортсмена, в том числе и грифа штанги.

Биомеханический анализ и синтез.

На заключительном этапе измерений на основе полученных механических характеристик оценивается техника двигательных действий спортсмена и даются рекомендации по ее совершенствованию.

1.3. Состав измерительной системы

Измерительная система включает в себя:

  • Датчик информации;
  • Линию связи;
  • Регистрирующее устройство;

АЦП

Компьютер;

  • Устройство для вывода данных.

Датчик – элемент измерительной системы, который непосредственно измеряет (воспринимает) определенную биомеханическую характеристику движения спортсмена. Датчики могут крепиться на спортсмене, спортивном инвентаре и оборудовании, а также опорных поверхностях.

Линия связи служит для передачи информации от датчика к регистрирующему устройству. Линия связи может быть проводной и телеметрической. Проводная связь представляет собой передачу информации через многожильный кабель. Ее достоинством является простота и надежность, недостатком – помехи движениям спортсмена. Телеметрическая связь – передача данных через радиоканал. В этом случае на спортсмене чаще всего расположена передающая антенна, а у регистрирующего устройства есть приемная антенна, посредством которой сигнал воспринимается.

Регистрирующее устройство – прибор, в котором происходит процесс регистрации биомеханических характеристик движений спортсмена.

Долгое время существовала аналоговая форма записи сигнала. Например, аналоговая запись сигнала в видеокамерах на магнитную ленту. В настоящее время широко распространена цифровая форма записи сигнала (в виде последовательности цифр на определенный цифровой носитель, например, DVD-диск).

АЦП – аналого-цифровой преобразователь – устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровую форму.

ПК – персональный компьютер, в котором происходит обработка поступающего сигнала посредством определенной компьютерной программы. После этого информация о биомеханических характеристиках спортсмена выводится на принтер или монитор.

В настоящее время в области атлетизма (тяжелая атлетика, пауэрлифтинг, бодибилдинг) нашли широкое применение следующие методики исследования:

  • Оптические методы (кино- и видеосъемка с последующим анализом, оптоэлектронная циклография);
  • динамометрия;
  • акселерометрия;
  • электромиграфия.

Именно об этих методах мы поговорим подробнее.

ГЛАВА 2. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Киносъемка

Киносъемка – оптический метод исследования. Этот метод относится к бесконтактным средствам измерения. Это особенно важно, поскольку система не мешает спортсмену при выполнении двигательных действий. Основным техническим средством является кинокамера. Для проведения биомеханических исследований чаще всего применяется кинокамеры с высокой частотой съемки (от 100 кадров в секунду и выше).

5 стр., 2289 слов

Анализ и исследование методов управления гидроагрегатами ГЭС

... области. Провести анализ существующих методов настройки. Выявить проблемы в использовании существующих методах. Разработка альтернативного метода и оценка его эффективности. Объект исследования : Гидроэлектростанции. Предмет исследования : Исследование методов управления гидроагрегатами гидроэлектростанций. В рамках магистерской ...

Недостаток киносъемки является необходимость специальной обработки кинопленки. Поэтому в настоящее время в биомеханических исследованиях чаще всего применяются два других оптических метода: видеосъемка и оптоэлектронная циклография.

2.2. Видеосъемка

Видеосъемка – оптический метод исследования, позволяющий фиксировать двигательное действие на видеопленке или электронной матрице видеокамеры. В настоящее время для биомеханических исследований применяют высокоскоростные видеокамеры, позволяющие выполнять съемку до 1000 кадров в секунду и выше.

Примером такой камеры может служить цифровая фотокамера CASIO EXILIM PRO EX-F1 (рис.4.1), позволяющая выполнять скоростную съемку с частотой до 1200 кадр/с. Разрешение матрицы фотокамеры составляет 6,6 Мегапикселов[1].

Для регистрации выполнения спортсменом силовых упражнений данной камерой может использоваться видеосъемка, которую нужно производить с разрешением 1920×1080 пикселей с частотой кадров 60 кадр/с.

2.3. Оптоэлектронная циклография

Оптоэлектронная циклография – оптический метод исследования, состоящий в том, что на суставах спортсмена крепятся активные маркеры – миниатюрные излучатели, работающие в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитных волн. Инфракрасный сигнал от датчиков поступает в телевизионную камеру, матрица которой преобразует поступающие сигналы в цифровой вид и передает в компьютер. Посредством оптоэлектронной циклографии в настоящее время двигательные действия спортсменов изучаются не в плоскости, а в трехмерном пространстве. С этой целью вокруг спортсмена устанавливают несколько регистрирующих камер.

2.4. Динамометрия

Динамометрия – метод, применяемый для оценки силовых способностей спортсмена. Информативным показателем силовых способностей является сила, развиваемая определенной мышечной группой. Для измерения силы мышц используются динамометры, которые делятся на механические и электронные.

Важнейшей деталью механических динамометров является пружина, которая должна работать в области линейной деформации. Это означает, что измеряемая сила прямо пропорциональна удлинению пружины. При измерениях в спорте очень часто применяются кистевые и становые (рис. 4.2) динамометры. Так, например, для измерения силы тяги в пауэрлифтинге используется становой динамометр. Диапазон измерений составляет от 100 Н до1800 Н с погрешностью +/-2 % по всей шкале. Вес 1.8 кг, размер 25,4х6,35 см. Ручка из прочного алюминия с удобным местом для захвата.

Недостатком механических динамометров является оценка одного, чаще всего максимального значения силы. В связи с этим, если необходимо изучить изменение усилия, развиваемого мышечной группой или спортсменом, применяются электронные динамометры. В этом случае датчиком является не пружина, а тензодатчик, а сама методика называется тензодинамометрия.

Метод тензодинамометрии позволяет зарегистрировать усилия, развиваемые спортсменом при выполнении различных физических упражнений.

В процессе выполнения спортивных движений спортсмен оказывает механическое воздействие на самые разнообразные предметы: спортивный снаряд, пол, дорожку, которые в результате этого деформируются. Для того, чтобы измерить значения развиваемых спортсменом усилий, используют специальные тензодатчики, преобразующие механическую деформацию в электрический сигнал. В основе работы тензодатчиков лежит тензоэффект. Суть тензоэффекта – изменение сопротивления проводника при его удлинении.

4 стр., 1833 слов

Понятие силы и развитие мышц

... выполнении физической нагрузки работа сердца существенно меняется: возрастает частота сердечных сокращений и увеличивается объем крови, выталкиваемой сердцем за одно сокращение. Какие же изменения наступают в работе сердца спортсменов ... концентрации в крови он повышает активность дыхательного центра в головном мозгу. ... работоспособности при ощущении некоторого утомления мышц. В этом случае будет ...

Тензодатчик представляет собой заклеенную между двумя полосками бумаги проволоку диаметром 0.02-0,05 мм. Он наклеивается на упругий элемент, воспринимающий усилие, задаваемое спортсменом.

В 1938 году были разработаны первые тензодатчики, которые работали на основе тензоэффекта. В 1947 году тензометрия впервые стала применяться в физических исследованиях

В спорте впервые в 1954 году М.П. Михайлюк закрепил тензодатчик на грифе штанги, П.И. Никифоров (1957) разработал тензоплатформу для записи усилий при отталкивании в прыжках в высоту. В 1963 году В.К. Бальсевич использовал тензодинамометрические стельки для анализа бега спринтеров различной квалификации. Им было установлено несколько типов отталкивания.

Методика тензодинамометрии активно применяется в тяжелой атлетике. Одна из ключевых задач тренера заключается в предоставлении информации об ошибках, то есть обратная связь от тренера к спортсмену. Обратная связь является важным элементом обучения. Спортсмен должен получать на регулярной основе информацию, которая позволяет сравнить собственную деятельность с идеалом или моделью. В результате такого сравнения, спортсмен получит знания о своей деятельности и имеет возможность работать на исправление своих ошибок.

Такая методика разработана А.Н. Фураевым (1988) и модернизирована И.П. Кожекиным (1998).

Автоматизированный стенд включает в себя тензодинамометрическую платформу, АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и компьютер. В экспертной системе компьютера заложены образцы, характеризующие правильное и неправильное выполнение двигательного действия (рывка, прыжка вверх и прыжка в глубину. Сопоставляя полученные результаты, экспертная система, построенная на анализе тензодинамограммы, позволяет спортсмену в реальном масштабе времени получить информацию об ошибках в технике двигательного действия и ввести корректировки чтобы их устранить.

2.5. Акселерометрия

Акселерометрия – биомеханический метод регистрации ускорений движения тела спортсмена, или его отдельных частей, а также ускорений спортивных снарядов. Например, в тяжелой атлетике информативным показателем техники движений спортсмена является ускорение центра масс штанги.

В качестве датчиков используются специальные акселерометры. Принцип действия датчика-акселерометра следующий. К исследуемому объекту прикрепляется масса при помощи связи, обладающей определенной жесткостью. Затем на основе известной массы и жесткости связи определяется ускорение. Основными характеристиками акселерометров являются диапазон и предельная частота изменения измеряемых ускорений.

Если используется трехкомпонентный акселерометр, можно зарегистрировать три составляющих ускорения. Выполняя дифференцирование полученного сигнала, можно рассчитать скорость и перемещение спортивного снаряда, например, грифа штанги.

2.6. Электромиография

Электромиография – способ регистрации и анализа биоэлектрической активности мышц.

Суть явления заключается в регистрации электрических потенциалов мышц, которые появляются при возбуждении мышцы. Таким образом, электромиография, является надежным методом регистрации активности мышц.

7 стр., 3493 слов

По : «Двигательная память. Автоматизация движений»

... получении новых знаний, умений и навыков. 4. Двигательные навыки. Итак, проанализировав понятия «двигательная память», «автоматизация движений», «навык», я пришел к следующему термину «двигательные навыки». Среди многочисленных публикаций по данной теме ...

Чаще всего регистрируются следующие параметры ЭМГ (электромиограммы); длительность электрической активности мышц, частота биопотенциалов, амплитуда биопотенциалов и суммарная электрическая активность мышц.

Длительность электрической активности мышц характеризует время, в течение которого мышца была возбуждена.

Частота и амплитуда биопотенциалов мышцы характеризует степень возбуждения мышцы и характер активности различных ДЕ. Суммарная электрическая активность дает представление об общем уровне напряжения и силы развиваемой мышцей. Чем больше суммарная электрическая активность, тем больше степень напряжения, развиваемая мышцей.

Датчиками, используемыми для регистрации электрической активности, служат серебряные электроды, выполненные в виде небольших кружков (чашечек).

Их диаметр составляет не более 10 мм. Внутри этих чашечек для лучшей электропроводности помещается специальная электропроводящая паста. В настоящее время регистрирующим прибором является персональный компьютер.

Одной из первых работ, в которой электромиографическая методика применялась в исследовании двигательных действий штангиста, следует признать диссертационную работу А.С. Степанова (1957).

В этом исследовании А.С. Степанов (1957) подверг детальному электромиографическому анализу основные соревновательные упражнения штангистов: толчок, рывок и жим.

В исследовании С.С. Лапенкова (1985) был проведен биомеханический анализ тяжелоатлетических и вспомогательных упражнений с использованием методики электромиографии. При сравнительном анализе движений использовались следующие характеристики ЭМГ: время электрической активности, которое характеризует длительность приложения усилий, развиваемых мышцами, средняя амплитуда ЭМГ, которая взаимосвязана с уровнем развития мышечных усилий. Использование ЭМГ методики и структурного метода распознавания образов позволило оценить эффективность вспомогательных упражнений.

За рубежом серьезные исследования силовых упражнений с применением электромиографической методики были предприняты R.F. Escamilla et al. (2001).

Подробному электромиографическому и биомеханическому анализу были подвергнуты присед со штангой на плечах и жим ногами лежа.

Было установлено, что при выполнении приседания активность четырехглавой мышцы бедра и мышц задней поверхности бедра выше, чем при выполнении жима ногами. При этом присед, выполняемый с узкой расстановкой стоп, вызывает большую электрическую активность икроножной мышцы по сравнению с широкой расстановкой стоп.

Был проведен также анализ работы мышц при выполнении силовых упражнений: приседа со штангой на плечах (Н.Б. Кичайкина, А.В. Самсонова, Г.А. Самсонов, 2011).

Установлено, что в нижней точке (НТ) электрическая активность большой ягодичной мышцы и мышц-разгибателей бедра (двуглавой бедра и полусухожильной) минимальна.

Положительной особенностью электромиографии являлось то, что она позволяла в разных движениях оценить степень активности скелетных мышц. С этой целью чаще всего применяется изучение суммарной электрической активности мышцы. Кроме того, появилась возможность оценить последовательность активности мышц при выполнении двигательного действия.

5 стр., 2046 слов

Филипас 1. Термодинамическое исследование скважин

... пласта для определения его параметров. Эти исследования также можно применять и для изучения газовых скважин. 1. Термодинамическое исследование скважин. Известно, что колебания температуры на земной ... геотерма. Термограмма - распределение температуры в работающей скважине имеет отклонения от геотермы, которые связаны с термодинамическими и гидродинамическими процессами, происходящими в продуктивном ...

Однако электромиографическая методика не позволяет сопоставить напряжение, развиваемое разными мышцами спортсмена при выполнении силового упражнения. То есть количественно оценить, какая мышца проявляет большее или меньшее усилие. Это связано с тем, что на уровень силы, оцениваемой по ЭМГ, влияет ряд технических факторов, а именно, качество наклейки электродов, сопротивление кожи, степень усиления и т.д. Поэтому только на основе регистрации электрической активности мышц при выполнении силового упражнения очень сложно сопоставить «вклад» каждой мышцы в результат, тем не менее, электромиографическая методика остается до настоящего времени наиболее адекватной для решения этих проблем.

ГЛАВА 3.МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОМЕХАНИКЕ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

В настоящее время биомеханика опорно-двигательного аппарата обладает значительным арсеналом методов исследования локомоторной функции, как в статике, так и в динамике, причем изучается не только внешняя картина движения, но и механизмы управления, жизнеобеспечение организма, что дает возможность выявить целый комплекс параметров, характеризующих опорно-двигательный образ. В это понятие включаются не только внешние (механические) проявления движения и реакций окружающей среды, но и условия организации управления движениями, согласованная деятельность всех органов и систем организма. Получаемая в результате биомеханических исследований информация служит основой для определения нормы, позволяет количественно определить степень нарушения локомоторной функции при различных патологических состояниях. Биомеханические исследования достаточно широко используются не только в клинической медицине (функциональная диагностика, ортопедия, травматология, протезирование), но и в спорте, и при разработке различных антропоморфных механизмов (роботы, манипуляторы), и при решении других прикладных задач. Методическая база биомеханических исследований постоянно совершенствуется, используя новейшие достижения науки.

Методы исследования, получившие наибольшее распространение в настоящее время, в клинической биомеханике могут быть классифицированы следующим образом:

I. Соматометричские: антропометрия, фотограмметрия, рентгенография.

II. Кинезиологические: оптические, потенциометрия, электроподография, тензометрия, ихнография.

III. Клинико-физиологические: калориметрия, электромиография, электроэнцефалография и другие методы функциональной диагностики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, биомеханика опорно-двигательного аппарата человека изучает, какой способ и какие условия выполнения действий лучше и как овладеть ими. Общая задача изучения движений состоит в оценке эффективности приложения сил для достижения поставленной цели. Всякое изучение движений, в конечном счете, направлено на то, чтобы помочь лучше выполнять их. Ежедневно мы сталкиваемся с многочисленными ситуациями, когда необходимо придать телу правильную позу, а суставам и мышцам соответствующее положение, в котором они могли бы наилучшим образом растягиваться и выполнять необходимую работу. Некоторые привычки, например положение во время сна или телефонного разговора, заслуживают особого внимания и изучения как возможные источники появления и усугубления головной боли и боли в шее у отдельных пациентов при наличии у них миофасциальных триггерных точек в мышцах головы и шеи.

12 стр., 5730 слов

Центрифуги. Сущность методов очистки, схемы аппаратов, эффективность. ...

... измельчением осадка можно пренебречь. Червячные отжимные аппараты. При разделении суспензий такие аппараты имеют следующие преимущества перед центрифугами: отсутствие быстровращающихся частей, низкая конечная ... основной вращающейся части, либо посредством введения в работу дополнительных поверхностей. Метод центрифугирования используется в самых разных отраслях промышленности для разделения ...

СПИСОК использованных источников

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/dinamometr/

1.Биленко А.Г., Говорков Л.П., Ципин Л.Л. Измерения в биомеханике физических упражнений. Практический курс: Учебное пособие /А.Г. Биленко, Л.П. Говорков, Л.Л. Ципин /НГУ физической культуры, спорта и здоровья им. П.Ф. Лесгафта, 2010.– 166 с.

2.Биомеханические методы исследования в спорте: Учебное пособие /Под ред. Г.П. Ивановой.– Ленинград, 1976.– 96 с.

3.Кожекин И.П. Совершенствование двигательных действий тяжелоатлетов методом управления их биомеханической структурой: 13.00.04: Автореф. дис. . канд. пед. наук / Кожекин Игорь Петрович. – Малаховка: МОГИФК, 1998. — 19 с.

4.Попов Г.И., Самсонова А.В. Биомеханика двигательной деятельности /Учебник для студентов учреждений высшего проф. Образования /Г.И. Попов. А.В. Самсонова.– М.: Академия, 2011.– 320 с.

5.Фураев А.Н. Оперативное регулирование тренировочного процесса тяжелоатлетов с использованием автоматизированной системы контроля биомеханических параметров.: Автореф. дис… канд. пед. наук / А.Н. Фураев.– М .: Малаховка: 1988.–23 с.

6.Escamilla, R.F. Effects of technique variations on knee biomechanics during the squat and leg press / R.F. Escamilla, G.S. Fleisig, N. Zheng, J.E. Lander, S.W. Barrentine, J.R. Andrews, B.W. Bergemann, C.T. Moorman III //Med. Sci Sports Exerc., 2001.– V.33.– N. 9.– P. 1552-1566.