Теоретичні відомості. Оптичні способи дослідження рухових дій не дозволяють аналізувати їх одразу ж після реєстрації

Оптичні способи дослідження рухових дій не дозволяють аналізувати їх одразу ж після реєстрації. Адже для отримання кінцевого результату потрібно обробити вихідні дані й розрахувати за ними біомеханічні характеристики. Це обмежує можливості щодо використання результатів дослідження у тренувальному процесі. В значній мірі позбавлені цього недоліку електричні методи, що ґрунтуються на перетворенні вимірюваної механічної величини в електричний сигнал з наступною його реєстрацією та аналізом. Пристрій, який перетворює вимірювану величину в електричний сигнал, називається перетворювачем або датчиком.

Під час спортивних досліджень ці пристрої встановлюються на тілі спортсмена, спорядженні, на опорі. Електричний імпульс, що знімається з вимірювального перетворювача за допомогою системи дротяного зв'язку або радіотелеметричної системи передається на пристрій перетворення і реєстрації електричних сигналів.

Основними перевагами електричних методів вимірювання біомеханічних параметрів є оперативність отримання вимірюваних характеристик і можливість автоматизації їх розрахунку. В сучасній практиці спортивних вимірів в основному застосовуються наступні вимірювальні перетворювачі: тензодатчики – вимірювальні перетворювачі малих деформацій, які дозволяють вимірювати зусилля, що прикладає спортсмен до опорної поверхні чи спортивного спорядження; акселерометри – вимірювальні перетворювачі лінійних прискорень; гоніометри – вимірювальні перетворювачі суглобових кутів.

У процесі виконання фізичних вправ спортсмен спричиняє механічну дію на зовнішнє тіло (опорну поверхню, спортивний прилад, спорядження). У результаті взаємодії тіла деформуються. Величина деформації, як правило, пропорційна силі дії. Для визначення деформації, як міри силової взаємодії спортсмена зі зовнішнім середовищем, (тілом) у практиці біомеханічних досліджень найчастіше використовують тензодатчики (тензорезистори).

Тензодатчик наклеюється на пружний елемент, який сприймає зусилля, що створює спортсмен. Під час деформації пружного елемента відбувається деформація й наклеєного на нього тензодатчика. При цьому змінюються геометричні розміри тензорезистора і його електричний опір.

Якщо через R/R позначити відносну зміну електричного опору, а відносну деформацію датчика – L/L, то коефіцієнт тензочутливості K визначається за такою формулою:

, (39)

де R – електричний опір тензодатчика;

L – лінійний розмір тензодатчика.

На практиці використовують, зазвичай, відносно дешеві, порівняно прості та надійні тензодатчики опору.

Тензодатчики можна наклеїти безпосередньо на весло човна, лижну палицю, шатуни чи кермо велосипеда, гриф штанги, гімнастичні кільця, бруси, перекладину тощо. Деколи в конструкцію на опору спортивних приладів необхідно вмонтувати додаткові пружні елементи, через які від спортсмена на опору передаватимуться зусилля (тензометричні устілки взуття, тензометричні педалі велосипеда та ін.).

На сьогодні використовують три типи тензодатчиків опору: дротяні, фольгові та кристалічні (напівпровідникові). Вони відрізняються конструкцією, розмірами, тензочутливістю і вартістю (рис.17).

Дротяні тензодатчики мають так звану сітку (плоску спіраль) тонкого (0, 02–0, 05мм) матеріалу з константану, ізоеластику, інвару, купріну. Для роботи при температурах понад 180 градусів за Цельсієм – вони формуються із спеціальних мідно-нікелевих, нікель-хром-алюмінієвих, платино-вольфрамових та інших сплавів. Сітка наклеюється на смужку пергаментного паперу або іншу основу (лакову плівку, склотканину, просякнуту високотемпературним цементом тощо), довжиною від 5 до 150мм, а потім покривається таким самим матеріалом. Залежно від бази тензодатчика (довжини сітки) та кількості її витків, коефіцієнт тензочутливості дротяних тензодатчиків опору коливається у межах від 0, 5 до 4.

Рис.17 - Типи тензометричних датчиків опору:

а – дротяний; б – фольговий; в – кристалічний

Фольгові датчики, завдячують своїм особливостям технології виготовлення. Їх сітку витравляють фотографічним способом з фольгової металевої плівки товщиною 4–12мкм целулоїду чи поліхлорвінілу. Це дає можливість на такій же, як і у дротяних датчиках, площі основи розташувати у 2–4 рази довшу спіраль. Коефіцієнт їх тензочутливості коливається у межах від 4 до 10.

Найважливішими характеристиками дротяних та фольгових тензодатчиків є відстань між витками сітки та товщини поперечного перерізу провідника. Від цього залежить максимальне число витків при даному розмірі датчика, максимально допустимий струм, а відтак – чутливість. Такі датчики мають порівняно невелику температурну похибку. При введенні у сплав для виготовлення тензочутливого дроту відповідних домішок, коефіцієнт лінійного розширення сітки датчика при зміні температури можна підібрати подібний матеріал тензометричної деталі із сталі, нержавіючої сталі, алюмінію тощо.

Останнім часом знайшли широке застосування мініатюрні (довжиною 0, 3–12мм, шириною 0, 15–0, 5мм) напівпровідникові тензометричні датчики опору із штучно вирощених монокристалів кремнію чи германію. Складність їх виготовлення полягає в технології вироблення. До напилених сріблом шліфованих торців наклеєного на поліровану частину спортивного приладу датчика під мікроскопом підпаюють срібні, рідше золоті провідники. Ті, у свою чергу, через мініатюрні колодки, сполучені з товстішими мідними провідниками, ведуть до вимірювальної схеми. Їх висока вартість компенсується малими розмірами кристалічних датчиків та їх надзвичайно високою тензочутливістю, яка досягає 50-250. Це дозволяє застосувати вимірювальні схеми без складних і досить габаритних тензометричних підсилювачів, тобто у портативних приладах. Але температурні похибки за рахунок дуже малого коефіцієнта лінійного розширення кристалів (у 500-1000 разів меншого, ніж у металічних сіток) доволі значні. Це обов’язково варто враховувати при вимірюваннях.

У більшості випадків тензометрична апаратура використо-вується для визначення силових характеристик спортивних рухів, вивчення на їх основі параметрів динамічної структури фізичних вправ і ефективності рухових дій у цілому.

При виборі тензорезистора враховуються база вимірювання, геометричні розміри тензорезистора, його номінальний електричний опір, матеріал решітки і основи, сорт клею.

Для реєстрації малих (менших 5·10^-3) відносних змін опору дротяні і фольгові датчики включають в електричні схеми, що забезпечують перетворення зміни опору у напругу з наступним підсиленням останньої та температурну компенсацію. Найбільш розповсюджені мостові схеми (рис.18).

Рис.18 – Принципова електрична схема з’єднання тензодатчиків

В основу мостової схеми покладена умова рівноваги, при якій різниця потенціалів на вершинах вимірювальної діагоналі дорівнює нулю:

R₁·R₄ = R₂·R₃ (40)

Тензовимірювальний пристрій з мостовим включенням датчиків складається із симетрично омічного моста (R₁=R₂=R) і двох однакових тензочутливих перетворювачів (R₄ – робочий, R₃ – компенсує зовнішні температурні зміни). До нього входять блок живлення і електронна схема, яка перетворює вихідний сигнал з моста у певну форму електричного сигналу, зручну для керування вихідним пристроєм.

Для вивчення взаємодії спортсмена з опорою при відштовхуванні використовують спеціальні вимірювальні пристрої, які називаються тензометричними платформами. Тензоплатформа дає можливість отримати результати тензодинамограми складових зусиль вектора опорної реакції, які записуються на чорнильнопишучий реєстратор (рис.19).

Попередній аналіз тензодинамограми складається з оцінки максимальної швидкості руху і висоти підйому ЦМТ спортсмена, а також аналізу фазового складу руху.

Рис.19 – Тензодинамограма вертикальної складової реакції опори при стрибку догори поштовхом двома ногами

Максимальна висота підйому ЦМТ спортсмена за час стрибка визначається за формулою для висоти польоту тіла, кинутого догори:

, (41)

де t_під – час підйому, який становить половину повного часу тривалості фази польоту: (41а)

Тривалість фази польоту визначається за формулою:

, (42)

де L – довжина фази польоту за тензограмою (див.рис.19);

V = 50мм/с – швидкість переміщення паперової стрічки чорнильнопишучого реєстратора (самописця).

Оскільки у фазі польоту спортсмен рухається лише за рахунок початкової швидкості вильоту і дії сили тяжіння, то максимальна швидкість відштовхування від опорної поверхні обчислюється за наступною формулою:

V = g t_під (43)