АВТОМАТИЗАЦИЯ БИОМЕХАНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Биомеханический контроль можно осуществлять по-разному Самое простое — наблюдать и записывать результаты наблюдений. Но при этом многое будет упущено и никто не сможет поручиться за точность полученных результатов.
Гораздо плодотворнее, хотя и сложнее, автоматизированный контроль. Можно сказать, что в наши дни ленинская формула «от живого созерцания —к абстрактному мышлению и от него — к практике» приобрела новый смысл. Сегодня процесс «живого созерцания», наблюдения за объектом исследования немыслим без использования измерительной аппаратуры.
Все измерительные системы в биомеханике включают в себя датчики биомеханических характеристик с усилителями и преобразователями, канал связи и регистрирующее устройство. В последние годы все чаще используют запоминающие и вычислительные устройства, значительно расширяющие возможности педагога. Для повышения точности биомеханического контроля привлекаются все новинки инженерной мысли: радиотелеметрия, лазеры, ультразвук, инфракрасное излучение, радиоактивность, телевидение, видеомагнитофоны, вычислительная техника.
Датчики биомеханических характеристик
Датчик — первое звено измерительной системы. Датчики непосредственно воспринимают изменения измеряемого показателя и закрепляются либо на теле человека, либо вне его.
Датчик, закрепляемый на человеке, должен иметь минимальный вес и габариты, высокую механическую прочность, удобство крепления и вместе с тем не должен стеснять движений и создавать какого-либо дискомфорта. На теле человека размещаются: маркеры суставов (рис. 35, 36), электромиографические электроды (см. рис. 3), датчики суставного угла (Их чаще называют гониометрическими (от слов gonios — угол, metreo — измеряю); кроме измерения суставных углов, гониометрические датчики применяются для измерения угловых перемещений в спортивном инвентаре, например угла поворота весла в уключине) и ускорения (рис. 37).
Но уже давно замечено, что точность биомеханического контроля выше, если движения человека ничем не стеснены. Поэтому биомеханические датчики стараются размещать на спортивном инвентаре, чтобы условия, в которых осуществляется контроль, не отличались от естественных условий тренировок и соревнований.
Популярными стали динамографические платформы. Они устанавливаются скрытно в секторе для прыжков или метаний, под покрытием беговой дорожки, гимнастического помоста, игровой площадки и т. п. Наиболее совершенные динамоплатформы позволяют измерить все три составляющие силы (вертикальную и две горизонтальные) и, кроме того, скручивающий момент в точке приложения силы, причем результат измерения не зависит от того, к какой точке приложена сила.
Чувствительными элементами в динамографической платформе служат пьезоэлектрические датчики (похожие на тот, что находится в звукоснимателе электропроигрывателя) или менее хрупкие датчики силы — тензометрические (тензодатчики) (Об устройстве биомеханических датчиков и о физических явлениях, лежащих в основе их конструкции, можно прочитать в кн.: Утки н В. Л. Измерения в спорте (введение в спортивную метрологию).— М., 1978.—-С. 103—120; Миненков Б. В. Техника и методика тензометрических исследований в биологии и медицине.— М., 1976).
Рис. 37. «Экзоскелет» — система для крепления гониометрических (1) и акселерометрических (2) датчиков на теле человека; предусмотрена возможность подгонки экзоскелета к длинам сегментов руки и ноги (по А. Н. Лапутину)
Тензодатчики применяются для измерения силы во многих видах спорта. В гимнастике их наклеивают на перекладину, брусья, кольца, ручки коня и т. д. В тяжелой атлетике — на гриф штанги. В стрелковом спорте и биатлоне — на спусковой крючок, ложе и приклад. В гребле — на конус уключины или весло (между рукояткой и уключиной), на подножку и на банку. В велосипедном, конькобежном и лыжном спорте для измерения силы немного видоизменяют конструкцию педали, конька, лыжи и лыжной палки, причем эти изменения никак не сказываются на естественной технике движений. В легкой атлетике применяют тензостельки, которые вкладывают в спортивную обувь. Интересно, что появились кроссовки с тензостельками и миниатюрным компьютером, который автоматически подсчитывает темп и силу отталкивания и сигнализирует тренирующемуся человеку, если сила отталкивания и частота шагов выше или ниже оптимальной.
Тензодатчики используют не только для измерения силы, но и для измерения ускорения, а также для регистрации колебаний тела (рис. 38). В этом случае Тензодатчики наклеивают на вертикальный стержень, соединяющий центры нижней и верхней площадки стабилографической платформы. Стабилограмма показывает, сколь велика способность человека сохранять устойчивость тела, которая служит важным фактором достижений в гимнастике, акробатике, гребле, фигурном катании и т. д. Кроме того, стабилография полезна при лечении людей с нарушенной способностью сохранять равновесие, при тестировании состояния нервной системы (например, перед соревнованиями).
Подобно тензодатчикам, не искажают естественных движений и фотоэлектрические датчики, в которых электрический ток возникает под действием света. Они используются для измерения скорости ходьбы и бега. Бегун (а также конькобежец, лыжник и др.) во время движения прерывает световые лучи, падающие на фотоэлементы (рис. 39). Поскольку каждая оптронная пара (источник света — фотоэлемент) находится на определенном расстоянии (S) от следующей, а время (Dt) преодоления этого расстояния измеряется, легко вычислить среднюю скорость на этом отрезке дистанции:
Если источник света (например, лазер) дает узконаправленный луч, то можно измерить длительность и длину каждого шага. Эта информация полезна при подготовке спринтеров, прыгунов и барьеристов.
Телеметрия и методы регистрации биомеханических характеристик
Для того чтобы использовать информацию от биомеханических датчиков, ее нужно передать по телеметрическому каналу и зарегистрировать.
Термин «телеметрия», составленный из греческих слов tele —далеко и metron —мера, означает «измерение на расстоянии». Информацию о результатах измерений можно передавать по проводам, по радио, посредством лучей света и инфракрасных (тепловых) лучей.
Проводная телеметрия проста и устойчива при помехах. Ее основной недостаток—невозможность передавать по проводам сигналы с датчиков, размещенных на теле человека, находящегося в движении. Поэтому проводную телеметрию следует использовать в сочетании с динамографической платформой или стационарно установленным спортивным инвентарем, оснащенным датчиками биомеханических характеристик.
Приведем пример. Для регистрации динамограммы воднолыжника (рис. 40) нужно приклеить тензодатчики к установленной на корме катера вертикальной стойке. К верхней части стойки прикрепляется конец фала, за другой конец которого держится воднолыжник. В этом случае электрический сигнал от тензодатчиков к регистрирующему прибору (который также размещен на катере) целесообразно передать по проводам.
Радиотелеметрия — это отрасль радиотехники, обеспечивающая передачу по радио информации о результатах измерений.
Радиотелеметрия дает возможность контролировать технико-тактическое мастерство человека в естественных условиях двигательной деятельности. Для этого он должен нести на себе биомеханические датчики и миниатюрное передающее устройство радиотелеметрической системы. Пример радиотелеметрической записи биомеханической информации представлен на рис. 41. Изображенные на нем электромиограммы получены в легкоатлетическом манеже, под беговой дорожкой которого уложена приемная антенна радиотелеметрической системы.
Рис. 41. Радиотелеметрическая запись электромиограмм у бегущего человека:
1 — большая ягодичная м.; 2 — прямая м. бедра; 3 — латеральная широкая м. бедра? 4 — двуглавая м. бедра; 5 — передняя большеберцовая м.; 6 — икроножная м.; 7 — камбаловидная м.; одинарная косая штриховка — уступающая работа; двойная косая штриховка — преодолевающая работа (по И. М. Козлову)
Вопрос для самоконтроля знаний
Какие варианты телеметрии могут быть использованы для регистрации силы отталкивания от опоры:
а) в лыжных гонках;
б) в прыжках в длину;
в) в художественной гимнастике?
Регистрация электрических сигналов, содержащих информацию о результатах биомеханического контроля, осуществляется самописцами и индикаторами различных конструкций. При записи результатов измерений остается документ (график на бумаге, магнитная запись, фотография и т. п.). В отличие от записи индикация состоит в восприятии получаемой информации зрительно или на слух.
Самописцы помогают узнать, как один или сразу несколько измеряемых показателей изменяются во времени (см. рис. 40, 41). Но есть и двухкоординатные самописцы, вычерчивающие график зависимости одного показателя от другого. Они дают педагогу дополнительные возможности. Так, на рис. 42 помещены автоматически вычерченные зависимости силы, прикладываемой к веслу, от горизонталь-; ного перемещения весла. Площадь, ограниченная такой • кривой, пропорциональна величине внешней механической работы.
Задание для самоконтроля и закрепления знаний Подвергните последнее утверждение критическому анализу и докажите его справедливость или ошибочность.
Регистрация изображения издавна приносит большую практическую пользу в физическом воспитании и спорте.
Спортивные соревнования — увлекательное зрелище. В таких видах спорта, как гимнастика и фигурное катание, успех спортсмена прямо зависит от красоты и выразительности движений. В других видах спорта внешняя картина движений имеет хотя и второстепенное, но тоже очень важное значение, поскольку от нее зависит сила, быстрота и точность двигательных действий. Да и в повседневной жизни важно умение красиво двигаться.
Кинематику движений регистрируют оптическими методами, которые непрерывно совершенствуются начиная с 1839 г., когда Франсуа Араго на заседании Французской академии наук сообщил об открытии фотографии («светописи»). Уже в 1882 г. Э. Ж. Марей установил перед объективом фотоаппарата вращающийся диск с прорезями и впервые получил на одной фотопластинке несколько поз движущегося человека («хронофотограмму»).