Теоретичні відомості. Аналіз техніки виконання фізичних вправ з позиції біомеханіки є необхідною передумовою для наукового обґрунтування і раціоналізації методики навчання

Аналіз техніки виконання фізичних вправ з позиції біомеханіки є необхідною передумовою для наукового обґрунтування і раціоналізації методики навчання, вдосконалення рухових дій, управління навчально-тренувальним процесом, а також для профілактичного, оздоровчого і лікувального використання фізичних вправ.

Біомеханічний аналіз фізичних вправ дозволяє визначити механічні характеристики рухів, за допомогою методів математичної статистики встановити внутрішній зв'язок між анатомо-фізіологічними характеристиками рухів, з одного боку, і механіко-математичними – з іншого. Для об'єктивного аналізу фізичних вправ необхідно використати відомі біомеханічні дані про руховий апарат людини як матеріальну систему процесу рухів тіла і наблизити біологічну і механічну моделі людини до єдиної так званої " біомеханічної системи".

Рис.1 – Структурна схема рухового апарату людини:

1 – голова, 2 – кістяк тулуба,

3 – пояс верхніх кінцівок, 4 – верхні кінцівки,

5 – пояс нижніх кінцівок, 6 – нижні кінцівки

Руховий апарат людини з точки зору біомеханіки – це система біокінематичних ланцюгів, біоланки якої об’єднані в біокінематичні пари і мають між собою в’язі, що встановлюють їх зовнішню свободу рухів (рис.1).

Структурні схеми “конструюють” відповідно до задач біомеханічного аналізу і можуть бути 1, 2,..., 13, 14-ланкові і більше.

Біомеханічна система – це спрощена копія моделі тіла людини, на якій можна вивчати закономірності рухів.

Така система наділена основними властивостями, суттєвими для виконання рухових функцій, але вона не враховує окремі деталі. Система складається із сегментів тіла або біомеханічних ланок, кількість яких зумовлена умовами експерименту. Для позначення біоланок тіла людини вводять умовні символи центрів суглобів і центрів мас біоланок (рис.2).

Умовні позначення центрів суглобів є першими літерами назви біоланок латиною, а для позначення центрів біоланок пишуть букву g, що означає гравітацію.

Аналізуючи техніку виконання спортсменами різних фізичних вправ, тренери, в основному, покладаються на свій власний досвід і візуальне спостереження. Але окремі елементи рухових дій, особливо такі, що тривають у часі дуже недовго (наприклад, фаза опори в бігу, відштовхування від опори у стрибках, стрільба, удари по м'ячу, взаємодія гірськолижника з трасою та ін.), залишаються поза можливостями сприйняття тренера-людини. Внаслідок цього, дуже важко об'єктивно оцінити порівняльну чи абсолютну ефективність спортивно-технічної майстерності виконаних фізичних вправ, їх частин або фаз.

Таким чином, для ефективного контролю навчання та вдосконалення спортивно-технічної майстерності спортсменів необхідні об'єктивні способи реєстрації рухових дій, які дозволяють ретельно вивчити техніку кращих спортсменів, виявити її провідні елементи для різних видів спорту та розробити раціональні індивідуальні моделі спортивної техніки. Вирішення цього питання особливо актуальне як для тренувань юних спортсменів, так і при підготовці досвідчених спортсменів – членів професійних і національних команд. Перші, аби уникнути засвоєння ними грубих помилок при виконанні змагальних вправ, які деякі з них " несуть" до вершин власних спортивних звершень, не досягаючи при цьому максимально можливого спортивного результату. Другі, які практично вичерпали свої функціональні можливості, можуть покращити свій власний результат лише за рахунок удосконалення техніки виконання рухів.

Для біокінематичного дослідження конкретної рухової дії потрібно насамперед всього скласти його характерну розрахункову схему або план рухової системи, що визначає її біокінематичну структуру. При цьому встановлюють кількість біоланок, які беруть участь у руховій дії, переміщення, які здійснює кожна біоланка, траєкторії руху точок, що є предметом вивчення.

Рух будь-якої точки тіла людини тільки тоді можна вважати встановленим, якщо відомий спосіб визначення її положення в будь-якій момент часу у будь-якій площині простору, в якій вивчається рух. Визначити положення тіла у просторі означає встановити місцезнаходження точок тіла відносно обраної системи координат з урахуванням часу.

Найпридатнішими методами об'єктивної реєстрації фізичних вправ для біокінематичного дослідження вважаються стробофотографія, кінокільцівка, кінограма і відеозйомка.

Стробофотографія – це зображення на одній фотографії декількох положень спортсмена, який виконує фізичну вправу.

Кінограма – це послідовні фотографічні зображення тіла спортсмена, який виконує фізичну вправу, видрукувані з негативу кіноплівки (рис.3). При аналізі кінограми вивчають ті кадри, які несуть потрібну інформацію про фази вправи, найскладніших і важливіших її моментів тощо.

1 2 3 4

Рис.3 – Фрагмент кінограми лижного бігу

Для отримання кінокільцівок використовують кінозйомку як один із об'єктивних оптичних методів реєстрації фізичних вправ.

Кінокільцівка – це наклеєні початком і кінцем відрізки позитивної кіноплівки із зображенням спортсмена, який виконує фізичну вправу.

При вивченні біокінематичних характеристик фізичної вправи за кінокільцівкою чи кінограмою дуже зручною системою відліку є Декартова прямокутна інерціальна система координат на площині. У процесі біокінематичного дослідження нерухому координату системи відліку можна " прив'язати" до будь-якого відносно нерухомого на кіноплівці орієнтиру (лінія старту, фінішу, видимі деталі трибун, дерева, стовпи і т. ін.).

На готовій кінограмі (кінокільцівці) всі відбитки положень і поз тіла спортсмена повинні бути пронумеровані у суворій відповідності з їх порядковим номером на негативній кіноплівці. Крім того, на кінограмі обов'язково повинна бути зазначена швидкість кінозйомки або інтервали часу між зображеними положеннями спортсмена. При вивченні руху тіла атлета в кожен кадр обов'язково повинен попадати добре видимий орієнтир певного розміру. За ним визначають масштаб зображення, і він буде початком системи координат – тілом відліку. Краще всього класти мірну лінійку, зорієнтувавши її у потрібному напрямку.

Перед початком кінозйомки складають розроблений у деталях план її проведення, виходячи з тривалості фізичної вправи і швидкості зйомки визначають потрібний метраж кіноплівки. Спортсмена, який виконує фізичну вправу, розміщують у полі зору об'єктива з таким розрахунком, аби головна оптична вісь була перпендикулярна до площини руху.

Задля якісного аналізу здійснених спортсменом рухових дій краще вивчити рух якомога більшої кількості точок його тіла. Але тоді ускладнюється процес обробки отриманих матеріалів. Тому при біомеханічному аналізі, зазвичай, обмежуються невеликою кількістю точок тіла спортсмена та його спорядження, аналіз руху яких дозволяє оцінити техніку фізичної вправи. Такі точки називаються розрахунковими, і ними найчастіше є центри суглобів, в яких відбувається деформація пози спортсмена, а також центри мас голови, кистей і стоп. Знаючи положення цих точок, можна легко отримати чимало інформації (кути в суглобах, положення центрів мас окремих біоланок, частин тіла і т. ін.). Залежно від специфіки виконання вправ у число розрахункових точок, деколи, включають кінцівки пальців (стрільба, плавання), окремі точки на тулубі (гімнастика, боротьба), точки на спорядженні (м'яч, ракетка, лижі, палиці, зброя і т. ін.). На стробофотографію чи на кінограму ці точки наносять гострим олівцем або тонкою ручкою, а для розстановки їх на відеозображенні залучається необхідний пакет прикладних програм.

Для більш зручного аналізу рухів тіла в суглобах бажано, щоб спортсмен фотографувався максимально роздягнутим. Крім того на тіло можна нанести чорним чорнилом чи фарбами різноманітні помітки або наклеїти певні маркери – контрастні кружечки або спеціальні випромінювачі, до яких підкреслено чутлива камера зйомки. Проте такий підхід не гарантує позитивний результат, позаяк більшість розрахункових точок (наприклад, центри суглобів і т. ін.) знаходяться не на поверхні шкіри спортсмена чи його спорядження, а всередині тіла. Їх розташування при поворотах тулуба не завжди співпадає із розташуванням поверхневих маркерів. Похибка у визначенні положення потрібних точок за цим методом деколи велика, аби можна було твердити про об'єктивність і коректність отриманих результатів. Тому, як правило, положення окремих розрахункових точок знаходять, виходячи з анатомічних особливостей будови тіла людини, позначають їх на фотографіях, виготовлених з усіх кадрів кінограми, які нас цікавлять.

Швидкість кінозйомки повинна бути такою, щоб зафіксувати всі важливі фази вправи, яку реєструємо, але разом з тим ощадливою щодо витрачання плівки.

Якщо ліва і права частини тіла виконують синхронні або зміщені на половину циклу однакові дії, аналізують рух лише однієї половини тіла, що розташована напроти камери. У деяких випадках задача дослідження вимагає вивчення руху невеликої кількості точок (наприклад, лише однієї ноги чи іншої частини тіла, або лише тих точок, які змінюють своє положення при виконанні досліджуваної фази фізичної вправи).

Обравши єдину для всіх знімків кінограми систему координат, значення їх розрахункової точки у кожному кадрі виписують у спеціальну таблицю координат. Таблиця координат – це найістотніший документ для комп'ютерного аналізу фізичної вправи. При обробці відеограми чи кінограми аналізують послідовні кадри (чи стоп-кадри) за чергою. Спочатку визначають значення координат розрахункових точок початкового кадру, а потім переходять до наступного.

Сучасні комп'ютерні програми дозволяють значно скоротити час складання таблиць координат і обробку записаних у пам'яті комп'ютера стоп-кадрів відеограми. Програма комп'ютера передбачає певну послідовність позначення положення точок. Порушення цієї послідовності занесе у пам'ять хибні параметри – присвоїть визначені координати " чужій" точці. При комп'ютерній обробці відеограм процес позначення розташування конкретної точки та визначення її координат поєднані в одну операцію. Це виконується шляхом наведення " хрестика" чи " кружечка" (маркера) контрастного кольору на відповідну точку на екрані монітора за допомогою " миші" та натискування на ній відповідної кнопки при суміщенні маркера з положенням потрібної розрахункової точки. Сучасні відеокомп'ютерні комплекси оснащені системою автоматичного відслідковування зазначених точок на початковому і наступних кадрах. Процес обробки інформації за допомогою комп'ютера прискорюється у декілька десятків разів. Оператор лише час від часу " допомагає" комп'ютеру віднайти " загублену" точку внаслідок зміни освітленості, закриття її іншими точками і т. ін. За допомогою комп'ютера оператор визначає лише координати розрахункових точок першого стоп-кадру, а далі процес відбувається автоматично шляхом відслідкування матриці символів на екрані, що знаходяться довкола позначених вручну точок. Проте цей спосіб передбачає наявність відеокомп'ютерного комплексу і певного пакету прикладних програм.

Важливим завданням при опрацюванні результатів об'єктивної реєстрації фізичних вправ є вивірений вибір системи координат. Для стробофотографії це зробити простіше, позаяк осі координат наносять безпосередньо на фотографію, прагнучи наблизити їх до об'єкту зйомки. При обробці кінограми систему координат прив'язують до нерухомих точок чи предметів фону зйомки: початку системи координат та її орієнтації у просторі. В інших випадках осі координат суміщають із горизонтальними та вертикальними площинами нерухомих предметів (край басейну, одвірок, телеграфні стовпи, панель чи плінтус стіни, розмітка бігової доріжки тощо). У деяких випадках зручно спрямувати осі не праворуч-угору, а навпаки – ліворуч-додолу, тобто намагатися наблизити їх безпосередньо до спортсмена. Абсолютні значення координат будуть меншими, і це відчутно спростить подальшу обробку.

Вимірювати координати розрахункових точок (їх відстань до осей координат) при обробці кінограми чи стробофотографії зручно за допомогою креслярського кульмана, в решті-решт – тонкою лінійкою з чіткою міліметровою розміткою. Варто пам'ятати, що координата – це значення на осі координат, на яку від розрахункової точки спроектований перпендикуляр. Для правої Декартової системи координат абсциса (координата Х) – це значення горизонтального відрізку, тобто відстань від точки до вертикальної осі. Ордината (координата Y) – це значення вертикального відрізку, тобто відстань від точки до горизонтальної осі координат.