Н.Б. Сотский, В.Ю. Екимов, В.К. Пономаренко

Стр 1 из 11Следующая ⇒

Кафедра биомеханики

Н.Б. Сотский, В.Ю. Екимов, В.К. Пономаренко

ПРАКТИКУМ

ПО БИОМЕХАНИКЕ

Минск 2012

УДК 797.21(075)

ББК 75.717.5я7

Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом БГУФК

Р е ц е н з е н т ы:

Э. П. Позюбанов, канд. пед. наук, проф.
каф. легкой атлетики Бел. гос. ун-та физ. культуры;

В. Я. Бунин, канд. пед. наук, доц.

Сотский, Н. Б. [и др.]

Практикум по биомеханике / Н.Б. Сотский, В.Ю. Екимов, В.К. Пономаренко; Бел. гос. ун-т физ. культуры. — Мн.: БГУФК, 2012. — с.

ISBN 985-6651-69-7.

Данный практикум составлен в соответствии с действующей программой по предмету «Плавание» и является неотъемлемой частью учебно-методического комплекса, обеспечивающего изучение движений в водной среде. В нем представлен алгоритм выполнения самостоятельных, лабораторных работ, который предполагает педагогические наблюдения, измерения, вычисления различных параметров техники плавания, умение анализировать, а также помещены тесты (контрольные вопросы). Практикум способствует систематизации знаний, оздает условия для творческого и самостоятельного подхода при изучении предмета.

Предназначен для студентов вузов, слушателей ИППК, учащихся училищ олимпийского резерва.

УДК 797.21(075)

ББК 75.717.5я7

ISBN 985-6651-69-7

ВВЕДЕНИЕ

Стремительное развитие физической культуры и спорта в последние годы закономерно сопровождается усилением внимания к биомеханическому обоснованию процесса подготовки спортсменов к соревнованиям. В связи с этим при обучении будущих специалистов в области физической культуры и спорта все большее значение придается развитию у них умения осуществлять биомеханический анализ и синтез движений.

Данный курс состоит из объединенных по темам лабораторных работ, имеющих характер экспериментальных исследований, объектом которых являются физические упражнения. В ходе его выполнения решаются следующие педагогические задачи:

1. Высокоэффективное усвоение студентами учебного материала.

2. Развитие у студентов навыков самостоятельного и творческого выполнения учебно-исследовательской работы под контролем преподавателя.

3. Овладение студентами технологиями проведения биомеханического анализа и синтеза физических упражнений.

Лабораторные работы построены на основе современных научных представлений о биомеханической структуре физического упражнения как совокупности блоков следующих двух типов:

1. Элементов динамической осанки, выражающихся в ограничении подвижности в одних суставах тела.

2. Управляющих движений, выполняемых в это же время в других суставах тела.

Каждое упражнение характеризуется специфичным для него набором указанных элементов, обеспечивающих перемещение общего центра тяжести тела спортсмена и изменение ориентации тела в пространстве по программе, называемой общей программой движения.

В ходе лабораторных занятий студенты определяют указанную программу в конкретном физическом упражнении и устанавливают динамические характеристики, необходимые для выполнения этого упражнения.

Изучив особенности изменения общей программы движения под влиянием изменений биомеханической структуры упражнения, будущие тренеры анализируют ошибки спортсмена в уже известных вариантах техники исследуемого физического упражнения, а также конструируют новые перспективные его варианты.

В настоящем издании студентам предложены методы биомеханического исследования на примере плоского перемещения тела спортсмена и его звеньев в процессе выполнения физического упражнения. Такое сужение круга исследуемых движений, тем не менее, позволяет студентам в короткие сроки, ограниченные рамками программы курса биомеханики, достаточно глубоко изучить основы современного биомеханического анализа и синтеза, а также овладеть основами наиболее важных методов биомеханического исследования движений спортсмена.

Следует помнить, что в наибольшей мере особенности плоского перемещения тела и его звеньев передаются циклограммами, на которых эти перемещения запечатлены в плоскости, перпендикулярной оптической оси киносъемочного аппарата или видеокамеры.

Необходимо подчеркнуть также и то, что при отборе или построении циклограмм студентам желательно останавливать свое внимание на тех из них, где спортсмен запечатлен со стороны правой боковой поверхности его тела. В этом случае отсчет углов поворота, как осей тела, так и продольных осей звеньев тела производится более удобно в соответствии с правилом, принятым в классической механике: с положительным знаком – при повороте против часовой стрелки, и с отрицательным – при повороте по часовой стрелке.

При выполнении работ в компьютерном классе с использованием пакета известных графических, а также специально разработанных для биомеханического анализа компьютерных программ студенты работают с видеоинформацией, полученной в результате специально организованной высокочастотной видеосъемки. Кроме того, поскольку в настоящее время видеотехника вполне доступна, студенты могут самостоятельно регистрировать различные упражнения в собственном исполнении и работать с полученной информацией.

В данном курсе использованы как стандартные, так и оригинальные программы. К первым относятся ACDSee, Win DVD Creator, Adobe Photoshop, Chaos Crystal, Quick Time Player, электронная таблица Excel. Использование именно этих программ в ходе биомеханического исследования не имеет принципиального значения. При необходимости они могут быть заменены аналогичными, обладающими теми же возможностями. В числе оригинальных программ, используется разработанная старшим преподавателем БГУФК А.В. Карпинским программа RasChT.exe. Она позволяет определить общий центр тяжести тела состоящего из ряда звеньев, а также, обеспечивает автоматический перенос координат характерных точек в электронную таблицу Excel.

Для эффективного выполнения данного курса лабораторных работ студенты должны обладать знаниями по информатике в объеме общеобразовательной школы.

При организации лабораторных работ учебная группа, как правило, делится на две подгруппы по 12 – 22 студента. На каждом занятии студенты, выслушав пояснения преподавателя по изучаемой теме, получают в свое распоряжение данный курс лабораторных работ, реальные видеоматериалы и приступают к самостоятельному выполнению исследований и освоению учебного материала под контролем преподавателя.

К экзамену по биомеханике студенты могут быть допущены лишь в случае успешного выполнения и последующей защиты работ, предлагаемых в настоящем пособии.

Примечание. Завершая вводную часть, отметим, что данный практикум, основанный на использовании компьютерных технологий и материалов высокочастотной видеосъемки, является, по сути своей, учебной моделью современного биомеханического исследования двигательных действий в спорте. А всякому научному исследованию предшествует сбор исходных данных, необходимых для его проведения. Именно поэтому практикум начинается с раздела, посвященного методам получения исходной информации для проведения биомеханических исследований.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ПРИ БИОМЕХАНИЧЕСКОМ ИССЛЕДОВАНИИ ФИЗИЧЕСКИХ УПРАЖНЕНИЙ

Лабораторная работа 1.1

СКОРОСТНАЯ ВИДЕОСЪЕМКА СПОРТИВНОГО ДВИЖЕНИЯ

Цель занятия: овладеть методом оптической регистрации физического упражнения на основе высокоскоростной видеосъемки.

Теоретические сведения

В ходе биомеханических исследований важнейшим элементом является получение объективных экспериментальных данных, характеризующих двигательное действие. Такие данные могут быть получены различными способами. В основе наиболее универсального метода лежит определение координат точек движущегося объекта (тела спортсмена) через минимально возможные промежутки времени. Затем из полученного материала вычисляются практически все характеристики двигательного действия, начиная от скоростей и ускорений, интересующих исследователя точек и заканчивая энергетическими параметрами двигательного действия. Здесь, как правило, используются различные варианты оптической регистрации спортивного упражнения. Еще двадцать лет назад классическими методиками регистрации спортивных движений являлись киносъемка, циклографический и стробоскопический варианты фотосъемки. При изучении сложных пространственных вариантов двигательных действий перечисленные методы могут иметь двух, трехплоскостной или стереоскопический варианты (рис.1.1.1).

Упомянутые подходы имели приемлемую точность, однако они весьма трудоемки, а результаты могут быть получены только через достаточно длительное время, необходимое для последующей обработки кино или фото материалов.

Рис. 1.1.1 Схема осуществления двухплоскостной съемки

В настоящее время перечисленные варианты получения экспериментальных результатов существенно продвинулись вперед, благодаря развитию цифровой видеозаписи и компьютерных технологий. При использовании таких подходов интересующие исследователя данные могут быть получены практически в реальном масштабе времени. При этом современные видеокамеры позволяют разбивать реальное движение на кадры с частотой до 100000 и более кадров в секунду.

При осуществлении оптических методов регистрации биомеханических характеристик двигательного действия должен быть выполнен ряд предварительных действий.

1. Подготовка места съемки. Она включает определение зоны выполнения физического упражнения, места установки записывающей аппаратуры, высоты установки и направления оптической оси. Для биомеханического исследования записывающая камера, как правило, с помощью штатива устанавливается на уровне ОЦТ тела спортсмена так, чтобы оптическая ось была перпендикулярна плоскости его движения. При пространственных вариантах съемки несколькими камерами их оптические оси ориентируются перпендикулярно по отношению друг к другу (в некоторых случаях оптические оси могут быть ориентированы под другими заданными до начала съемки углами). Съемку, осуществляемую в лабораторных условиях, рекомендуется производить по отношению к специально подготовленному фону, на котором могут быть отчетливо видны характерные точки тела спортсмена, в частности, суставы. Традиционно в качестве фона используется сетка, нанесенная на стену или щит контрастного, по отношению к ней цвета. Сетка часто используется для определения масштаба. При отсутствии сетки в кадр помещается масштабная рейка или предмет, имеющий известные линейные размеры. При осуществлении видеозаписи, предназначенной для последующего биомеханического анализа, осуществляемой на соревнованиях в условиях стадионов или спортивных залов для определения масштаба можно использовать элементы их разметки.

В некоторых случаях, съемка может осуществляться движущейся видеокамерой. При этом для биомеханического исследования полученного материала необходимо знать точное значение скорости перемещения или поворота камеры. Для такой съемки на стадионах или в спортивных залах монтируется специальное оборудование.

2. Подготовка исполнителей. При осуществлении съемки в лабораторных условиях исполнителю исследуемого двигательного действия необходимо иметь на себе минимум одежды, причем ее элементы должны быть максимально прилегающими к телу. Перед съемкой на тело спортсмена и на элементы одежды наносятся специальные маркеры. Как правило, это кружки контрастного цвета, которые прикрепляют в центрах суставов. Иногда (если выполняется сложное движение) используют полосы, охватывающие звенья тела на уровне центров суставов и центров тяжести звеньев. Для осуществления автоматической компьютерной обработки видеосъемки маркеры делают различных цветов, что позволяет компьютерной программе самой распознавать суставы и другие характерные точки.

3. Подготовка видеоаппаратуры. При осуществлении видеосъемки точная настройка записывающей аппаратуры играет важнейшую роль. Она включает в себя установку камеры и ее надежную фиксацию на штативе, установку частоты съемки, чувствительности, резкости, размеров кадра, оценку достаточности объема памяти записывающей аппаратуры, осуществление пробной записи, оценку результатов и при необходимости коррекцию указанных параметров.

При выполнении описанных операций осуществление видеозаписи не представляет сложностей, а полученные материалы в виде файла могут быть перенесены в компьютер и использованы в процессе биомеханического исследования.

В заключение следует заметить, что при обработке данных оптической регистрации точность получения кинематических характеристик зависит от частоты съемки, качества используемой аппаратуры и точности расположения маркеров. Во время дальнейшего биомеханического анализа, например при определении динамических параметров, она в некоторой степени снижается из-за отсутствия точных данных масс-инерционных характеристик тела исполнителя. Здесь, как правило, используются усредненные параметры в зависимости от роста и веса исполнителя. Кроме этого в ходе анализа тело исполнителя чаще всего представляется моделью, состоящей из связанных между собой абсолютно твердых звеньев, что не вполне соответствует реальному телу человека. Тем не менее, указанные допущения позволяют достаточно эффективно анализировать принципы построения двигательных действий и решать многие педагогические задачи, связанные с обучением спортивным упражнениям, развитием двигательных качеств и многими другими аспектами.

Порядок выполнения работы

1. Выбор объекта для биомеханического исследования. Это может быть физическое упражнение целиком, его цикл или какая-либо фаза, выполнение которой происходит в одной плоскости.

2. Подготовка места съемки:

· Определить зону выполнения упражнения, направление и безопасные границы перемещения исполнителя, относительно предполагаемого места установки камеры.

· При съемке в лаборатории обеспечить контрастный фон съемки, с помощью мела отметить на основании эталонное расстояние, с помощью которого впоследствии будет определяться масштаб.

Подготовка исполнителя.

· Показать исполнителю направление движения относительно камеры.

· Договориться о командах начала и окончания съемки.

· Обеспечить соответствующую форму одежды, закрепить на теле и (или) элементах одежды маркеры.

4. Подготовка аппаратуры:

· Установить штатив, надежно закрепить на нем камеру.

· Отрегулировать с помощью штатива высоту камеры, располагая ее на уровне ОЦТ тела исполнителя (если упражнение предполагает перемещение исполнителя по вертикали, камеру следует установить по высоте на уровне среднего положения ОЦТ при выполнении двигательного действия).

· Ориентировать оптическую ось камеры перпендикулярно плоскости предполагаемого движения.

5. Настройка камеры:

· Установить исполнителя в исходное положение, навести на него камеру и убедиться, что при выполнении двигательного действия он не выходит за пределы кадра. Если размеры кадра не позволяют целиком запечатлеть упражнение, камеру следует отнести на большее расстояние. Если движение спортсмена помещается в кадре с большим запасом, можно с помощью трансфокатора установить более крупный план съемки.

· Проверить установленную частоту съемки, навести резкость, и убедиться в достаточной освещенности объекта.

В используемой в лабораторных работах видеокамере CASIO EX-F1 наведение резкости обеспечивается наведением камеры на объект съемки и нажатием кнопки фотоспуска, расположенной на верхней панели камеры до половины. Появление зеленого прямоугольника свидетельствует об успешном установлении резкости.

Регулировка резкости совмещена с выбором величины экспозиции, значение которой появляется в правой части экрана камеры. Здесь следует обратить внимание на то, чтобы величина экспозиции не оказалась существенно больше частоты съемки. Например, при съемке с частотой 300 кадров в секунду экспозиция должна быть существенно больше 1/300 секунды. Практика показывает, что при такой съемке экспозиция 1/250 является максимально допустимой величиной. При величинах экспозиции более 1/250 следует обратиться к преподавателю для коррекции установок камеры.

Выполнение съемки.

· Нажать кнопку записи видео (расположена справа вверху от экрана камеры) и только после этого дать команду «СТАРТ» на исполнение двигательного действия. Такой порядок связан с тем, что камера включается с некоторой задержкой (в пределах 0, 5 с).

· После завершения двигательного действия следует дать команду «СТОП» и повторно нажать кнопку записи видео.

7. Просмотр записи:

· Нажать зеленую кнопку, расположенную над экраном

· Кнопкой SET, расположенной справа от экрана запустить просмотр.

· Оценить качество съемки.

· Нажатием красной кнопки, расположенной над экраном, перейти в рабочий режим и при необходимости провести повторную съемку.

8. Сохранение материалов:

· Снять камеру со штатива.

· Соединить включенную камеру с компьютером с помощью специального кабеля.

· Открыть карту память камеры.

· Найти отснятый материал и перенести его на свою флеш-карту.

· Используя «безопасное извлечение устройства», остановить взаимодействие камеры и компьютера, достать соединительный кабель из гнезд компьютера и камеры.

· Кнопкой «ON/OFF», расположенной на верхней панели отключить камеру.

КИНЕМАТИКА ФИЗИЧЕСКИХ УПРАЖНЕНИЙ

Кинематика – (греч. kinema – движение) раздел механики, изучающий движения физических тел, оставляя вне рассмотрения причины, вызывающие или изменяющие эти движения.

Прежде, чем перейти непосредственно к заданиям данного раздела практикума, вспомним некоторые общенаучные понятия и термины, знание которых необходимо для работы над заданиями. Заметим, что речь идет, в первую очередь, об описании и объяснении понятий, а не о строгих формулировках.

Первым из таких понятий будет понятие величины.

Величина – то, что можно измерить или вычислить по известным или предварительно выведенным формулам.

Поскольку механика – раздел физики, нас, в первую очередь, будет интересовать понятие физической величины.

Величина физическая – свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Примерами физических величин являются масса, энергия, скорость, ускорение и т. д. Например, все физические объекты обладают массой. Но количество массы в каждом из них свое. Один объект имеет массу, скажем, 5 кг, а другой 0, 1 кг. Видим, что для того, чтобы охарактеризовать объект по его массе достаточно задать только одно именованное число. Так же обстоят дела с энергией, работой, мощностью, пройденным путем и некоторыми другими физическими величинами.

Величины, для задания которых достаточно одного числа называются скалярными величинами или просто скалярами.

Другие физические величины, например, такие как скорость или ускорение, невозможно задать одним числом – необходимо как минимум два числа. Действительно, недостаточно сказать: «Я еду из Минска со скоростью 28 м/с (~100 км/час)», надо еще указать направление движения, скажем, в Борисов или в Столбцы.

Величины, для задания которых необходимо более одного числа, называются векторными величинами или, кратко, векторами. Существуют различные способы задания векторных величин. Поскольку биомеханические исследования физических упражнений производятся на примере плоских перемещений тела спортсмена (как в данном практикуме), либо перемещений в пространстве, векторную физическую величину зачастую удобно представлять направленным отрезком. Поэтому вполне естественно воспринимается следующий факт.

Вектор – в биомеханике чаще всего понимается как направленный отрезок на плоскости или в пространстве.

Обозначается он символом , где точки A и B – соответственно, начало и конец отрезка. Вектор обозначают также одной жирной латинской буквой , например, a, либо символом: . Направление вектора указывают стрелкой на его конце.

Под длиной вектора (используется также термин модуль вектора ) понимают расстояние между началом его и концом. Длину вектора обозначают | |. Если вектор обозначен одной буквой, например, , то длину вектора обозначают | |. Зачастую, если имеется в виду только численное значение (модуль) данного вектора, стрелку над его обозначением не ставят или не производят выделение символа вектора жирным шрифтом.

Описанный способ задания вектора основан на геометрии плоскости и пространства, и поэтому вектор, представленный направленным отрезком, принято называть геометрическим вектором.

Примерами векторных величин являются сила, скорость, ускорение, угловые скорость и ускорение, момент силы и т. д.

При представлении физических векторных величин геометрическими векторами длина вектора в выбранном масштабе совпадает с численным значением физической величины, а направление его совпадает с направлением изображаемой величины.

Существуют и другие способы задания вектора. Как уже отмечалось, для задания вектора требуется более чем одно число. Так, для задания вектора на плоскости, необходимо два числа, например, модуль вектора и его направление, т.е. угол, образованный им с одной из осей координат, или его проекции на оси координат, т.е. a =(a_x, a_y). Для задания вектора в пространстве необходимо три числа: a =(a_x, a_y, a_z). Таким образом, вектор может быть задан своими проекциями на оси координат.

Над векторами можно производить арифметические действия: сложение и вычитание, умножение и деление их на постоянное число. При этом операции сложения и вычитания имеют смысл только для векторов, представляющих одну и ту же физическую величину.

Сложение и вычитание геометрических векторов на плоскости обычно производится по правилу параллелограмма (как это делается см. ниже в описании лабораторной работы 1.3).

При задании векторов проекциями на оси координат все названные выше операции производятся покоординатно. Например, пусть даны векторы a =(a_x, a_y, a_z), b =(b_x, b_y, b_z) и c =(c_x, c_y, c_z). Тогда, если надо первые два из них сложить и из полученной суммы вычесть третий, то при координатном задании векторов требуемые операции можно совместить и без труда получить результат:

a+b-c = (a_x+ b_x – c_x, a_y+ b_y – c_y, a_z+ b_z – c_z),

приведем теперь пример умножения вектора на постоянное число λ:

a∙ λ = (a_x∙ λ, a_y∙ λ, a_z∙ λ ).

Выполнение физического упражнения развивается во времени и пространстве. Физические величины, как говорится, «задействованные» в упражнении, в соответствии с законами природы находятся во взаимодействии, взаимосвязи друг с другом. Если эта взаимосвязь такова, что одна величина полностью определяет значение другой, то имеет место функциональная зависимость между величинами. Более точной будет следующая формулировка понятия функции.

Функция – такое соответствие величин, которое каждому значению одной величины (называемой аргументом) однозначно соотносит одно и только одно значение другой (называемой функцией).

При исследовании функциональных зависимостей (не только физической природы) часто возникает необходимость оценить, как быстро изменяется значение функции с изменением значения аргумента. Иными словами, надо установить скорость изменения функции в зависимости от изменения аргумента. Решить эту проблему позволяет связанная с функцией величина, характеризующая функцию именно по названному критерию. Этой величиной является производная.

Чтобы понять, что же такое производная функции y=f(x), рассмотрим следующую процедуру. В области определения функции y зафиксируем некоторое значение аргумента x=x₀. Возьмем также произвольное значение x, для определенности x> x₀. Тогда y₀= f(x₀), y= f(x). Найдем разности

x-x₀, y- y₀=f(x)- f(x₀),

и вторую из них разделим на первую. Получим . Это отношение выражает собой среднюю скорость изменения функции по отношению к изменению аргумента на отрезке [x₀, x]. Чем меньше длина этого отрезка, тем точнее значение рассматриваемого отношения будет характеризовать скорость изменения функции y= f(x) в точке x₀. Точное значение этой характеристики достигается при бесконечно малой длине отрезка [x₀, x], стремящейся к нулю, и определяется пределом

Этот предел и называется производной от функции f(x) в точке x₀. Если положить x-x₀=Δ x, f(x)-f(x₀)=f(x₀+Δ x)-f(x₀)=Δ y, то указанный выше предел запишется так:

(*)

Существуют различные обозначения производной: f^׳′ (x₀), y′, , , и некоторые другие. Многие физические величины являются производными от других величин. Физические величины, участвующие в спортивном движении, в большинстве своем могут рассматриваться как функции от времени. Тогда и их производные также функции от времени. Так, скорость V есть производная от пути S по времени t: , ускорение – производная от скорости: и т.д.

Параметр – неизвестная величина, в рамках данного рассмотрения (исследования) остающаяся постоянной. Например, параметрическое задание квадратного уравнения имеет вид:

ax²+bx+c=0

Здесь a, b, c – параметры, x – неизвестная переменная величина.

Цикл – последовательность явлений (процессов), осуществляющихся друг за другом в течение определенного промежутка времени и повторяющихся затем в том же порядке (то есть, образуя новый такой же цикл).

Циклограмма – графическое изображение цикла.

В ФИЗИЧЕСКОМ УПРАЖНЕНИИ

Лабораторная работа 1.2

Теоретические сведения

Движения спортсмена в физических упражнениях целенаправленны и выполняются в соответствии с программой, называемой программой положения тела (см. рис. 1.2.1).

Рис. 1.2.1

Составной частью программы положения тела является программа места, описывающая закономерность, в соответствии с которой с течением времени перемещается ОЦТ тела при выполнении упражнения ОЦТ тела – это точка на теле спортсмена или вне его, к которой приложена равнодействующая сила тяжести всех звеньев тела.

Важной характеристикой программы места является траектория ОЦТ тела – линия, представляющая собой воображаемый след, который оставляет ОЦТ тела, перемещающийся в ходе физического упражнения.

Каждое звено тела спортсмена имеет свой собственный центр тяжести (ЦТ), который расположен на продольной оси ближе к проксимальному (как правило, более массивному) концу звена. Например, ЦТ бедра располагается на его продольной оси с некоторым смещением от середины бедра в сторону тазобедренного сустава, ЦТ туловища – в сторону шейного отдела позвоночника.

Положение ОЦТ системы, состоящей из нескольких тел (звеньев) можно определить аналитически. Для двух жестко связанных между собой звеньев положение ОЦТ определяется следующим образом.

Рис. 1.2.2

На рис. 1.2.2 определена схема, изображающая систему из двух звеньев в виде шаров, имеющих веса p₁ и p₂ , приложенные к их центрам. Звенья жестко соединены друг с другом тонким невесовым стержнем. В плоской прямоугольной системе координат xОy центры звеньев имеют координаты: звено с весом p₁ – координаты (x₁, y₁) а звено с весом p₂ – координаты (x₂, y₂). В этом случае ОЦТ системы двух этих звеньев будет находиться в некоторой точке с координатами (Х, Y). Если в точку расположения ОЦТ подвести опору и приложить силу F, направленную противоположно силам тяжести звеньев p₁ и p₂ и равную по величине их сумме p₁+ p₂, то система окажется в равновесии, при котором имеет место равенство моментов сил, один из которых вращает рассматриваемую систему по часовой стрелке, а второй – в противоположном направлении:

p₁(Х – x₁) = p₂(x₂ – Х). (1.2.1)

Пользуясь выражением (1.2.1), определим координату Х ОЦТ системы двух звеньев:

p₁Х – p₁x₁ = p₂x₂ – p₂Х

p₁Х + p₂Х = p₁x₁ + p₂x₂

X(p₁ + p₂) = p₁x₁ + p₂x₂

(1.2.2)

Формула (1.2.2) позволяет аналитически определить положение ОЦТ системы из двух жестко связанных между собой звеньев. Для системы, состоящей из n звеньев, координата Х будет определяться по формуле:

Х , (1.2.3)

где Х – координата ОЦТ системы из n звеньев, p_i – вес i-го звена; x_i – координата ЦТ i-го звена; Р – вес всех вместе взятых звеньев системы.

Если систему из двух звеньев, размещенную в системе координат xOy (см. рис. 1.2.2), повернуть вместе с этой системой координат по часовой стрелке или против нее на 90º, то очевидно, что положение ОЦТ на соединяющем звенья стержне не изменится. В этом случае, по аналогии с формулой (1.2.3), координата Y ОЦТ системы, состоящей из n жестко связанных друг с другом звеньев, определяется по формуле:

Y . (1.2.4)

Пользуясь формулами (1.2.3) и (1.2.4), можно рассчитать координаты Х и Y ОЦТ тела спортсмена во всех позах, предоставленных видеосъемкой и отображающих отдельные моменты исследуемой фазы физического упражнения. Используя реализованные в специальных компьютерных программах, в частности в Excel, математические методы построения кривых по точкам, заданным своими координатами, можно получить с высокой степенью точности приближенную траекторию ОЦТ тела в рассматриваемой фазе физического упражнения.

Порядок выполнения работы

Подготовка материала к работе.

1.1. Выбрать видеоматериал для биомеханического исследования:

· Открыть папку «D/Биомеханика/Видео для биомеханического анализа».

· Просмотреть имеющиеся в папке файлы и выбрать, согласовав с преподавателем, видеозапись спортивного движения.

Выбор видеозаписи двигательного действия может также быть осуществлен по результатам специально проведенной студентом высокоскоростной видеосъемки в ходе выполнения предыдущей лабораторной работы.

1.2. Запустить программу Photoshop CS4.

1.3. В строке меню выбрать опцию «Файл – импортировать – кадры видео в слои».

1.4. В открывшемся окне найти выбранную ранее видеозапись двигательного действия.

1.5. Просмотреть видеозапись на малом экране, находящемся в активном окне и, консультируясь с преподавателем, выбрать фрагмент для последующего биомеханического исследования.

1.6. Используя полосу прокрутки малого экрана, с помощью мыши при нажатой левой клавише, переместить движок воспроизведения к началу выбранного фрагмента.

1.7. Не отпуская левую клавишу мыши нажать кнопку Shiftипротянуть движок от начала до конца выбранного видеофрагмента. Отпустить нажатые клавиши.

1.8. Установить необходимое для исследования время между соседними кадрами. Для этого в соответствующем окне следует указать промежутки между загружаемыми кадрами. В частности, следует иметь в виду, что при исходной частоте съемки 300 кадров в секунду, вводя указание загрузки каждого 10 кадра, мы будем иметь временной интервал между загружаемыми кадрами равный 10/300 или 1/30 секунды (~0, 03 с).

1.9. Нажав кнопку Оk, загрузить видеофрагмент в программу Photoshop CS4.

1.10. Создать в каталоге диск D/Биомеханика/Студент папку своей группы – например «Группа № 224»

1.11. В папке своей группы создать папку под своей фамилией – например «Никитушкин Сергей»

1.12. В своей папке создать папку «Программа места»

1.13. Сохранить полученный видеофрагмент в папке «Программа места» под названием «Видеограмма» (дискD/Биомеханика/Студент/Группа /Ф.И.О./Программа места). Видеофрагмент сохранится как многослойный файл в формате поддерживаемом Photoshop CS4.

Определение положения ОЦТ.

2.1. Загрузить файл «Видеограмма» в программу Photoshop CS4.Для визуализации последовательно расположенных слоев (если она не происходит автоматически) необходимо открыть в меню «Окно» палитру «Слои», установив флажок напротив опции.

2.2. Сделать видимым первый кадр видеограммы. Это достигается устранением изображения глаза напротив всех слоев видеограммы кроме первого.

· Навести курсор мыши на изображение глаза и при нажатой клавише Alt нажать левую клавишу мыши.

2.3. Используя палитру «Навигатор» (если она невидна, открыть меню «Окно» и установить флажок на палитре «Навигатор»), перетягивая соответствующий движок, увеличить первый кадр видеограммы до удобного размера.

2.4. Активировать программу «RasChT.exe», находящуюся в каталоге «D/Биомеханика».

2.5. Перемещая движок окна программы «RasChT.exe», сделать его полупрозрачным.

2.6. Перемещая окно программы «RasChT.exe» наложить его на изображение первого кадра видеограммы.

2.7. Используя меню «Настройка» программы «RasChT.exe» занести в соответствующее окно вес спортсмена в ньютонах, после чего следует закрыть меню «Настройка».

2.8. Отметить на теле спортсмена основные суставы и характерные точки:

· Навести курсор на название звена тела «ЦТ головы».

· Щелчком левой клавиши активизировать считывание координат.

· Навести курсор на ЦТ головы (область уха).

· Щелчком левой клавиши отметить положение указанной точки (на экране должно появиться изображение точки).

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒