Теоретичні відомості. Акселерометрія – це метод, який дозволяє зареєструвати і виміряти прискорення, яке розвиває спортсмен при виконанні різноманітних фізичних вправ.

Акселерометрія – це метод, який дозволяє зареєструвати і виміряти прискорення, яке розвиває спортсмен при виконанні різноманітних фізичних вправ.

Перетворення механічного переміщення маси датчика в електричний сигнал здійснюється за допомогою так званих " перетворювачів" (датчиків). Розрізняють перетворювачі індукційні, індуктивні, омічні та п'єзоелектричні. У перших трьох типах перетворювачів сила інерції, яка виникає при нерівномірному русі датчика, спричиняє зміну відповідної електричної величини (електроємність, індуктивність, опір) перетворювача, закріпленого на пружному елементі. П'єзоелектричні датчики, які виготовляють із сегнетової солі, барію, кристалів кварцу – генерують змінний електричний потенціал на поверхні перетворювача під дією виникаючих змінних деформацій при нерівномірному русі. У даній роботі використовується перетворювач омічного типу – електричний тензометр опору – тензоакселерометр (рис.26).

Тензоакселерометр виконаний у вигляді консольного брусочка довжиною l, товщиною h і шириною b (рис.1). На вільному кінці закріплений тягар масою m, який виконує роль інерційної підвіски. Товщина h обирається значно менша ніж ширина b, і тому жорсткість на прогинання в площині (hl) набагато менша ніж в площині (hb). Таким чином, вісь чутливості датчика лежить в площині найменшої жорсткості (hl) (див.рис.26).

Тензодатчики Т₁ і Т₂ наклеєні на основах брусочка (в площинах паралельних (bl) і підключені в сусідні плечі містка Вітсона (опори R₁ i R₂). Дві інші опори містка R₃ i R₄ монтуються до вхідної ділянки тензопідсилювача.

Використовуються різноманітні типи акселерометрів. Способи їх кріплення, орієнтація в просторі та під’єднання до вимірювальних електросхем, найчастіше – мостових, показано на рис.18.

Рис.26 – Тензоакселерометричний датчик:

а – загальний вигляд датчика, що реєструє прискорення у трьох площинах простору;

б – деталі конструкції одного чутливого елемента:

1 – інерційний вантаж, 2 – консольна балка, 3 – тензочутливий елемент,

4 – струмовивідний контакт, 5 – корок, 6 – вилка роз’єму, 7 – металева скоба для закріплення датчика до тіла, 8 – плексигласовий корпус датчика;

в – схематичне зображення одного компоненту тензоакселерометра.

При виникненні прискорення (a_τ ) у напрямку переміщення, сила інерції маси датчика (m) прогинає брусочок у площині (hl) і тензодатчики Т₁ і Т₂ перетворюють деформацію брусочка в пропорційний електричний сигнал, який поступає на вихід тензопідсилювача або реєстратора. При прогинанні брусочка тензодатчики Т₁ і Т₂ зазнають взаємно протилежну деформацію і, позаяк вони підключені в сусідні плечі містка Вітсона, – зміни їх електричних сигналів складаються.

Однією з найголовніших вимог до характеристик аксе-лерометру при його виборі в реєстрації прискорень конкретної фізичної вправи є обов'язкове неспівпадання його власної частоти коливань з основними частотами досліджуваного процесу.

У багатьох випадках, особливо коли фізична вправа добре вивчена, її динамічний аналіз за результатами оптичної реєстрації не завжди виправданий. Адже кінематичний розрахунок необхідний для цього частіше є процесом занадто тривалим і трудомістким. З цією метою частіше використовують акселерометрію. Вона надзвичайно ефективна для аналізу стартової динаміки рухів, руху по дистанції цілих біомеханічних систем (велосипедний, мотоциклетний, автомобільний і санний спорт, веслування і бобслей).

Рис.27 – Динаміка прискорень нижньої частини тулубу за трьома складовими у спринтерському бігу

Акселерометрія застосовується при реєстрації внутрішніх циклових коливань швидкості у веслуванні, велосипедному спорті, а також навантажень, які витримує ціла система та її окремі елементи у різних площинах, а саме: автомобіль та мотоцикл, сані, боб, гірські лижі, тенісні ракетки, ключки, лук і стріли, тіло спортсмена, його окремі біоланки та їх компоненти, внутрішні органи тощо (рис.27).

Акселерограма – це запис проекції лінійного прискорення об'єкту дослідження на вісь, яка перпендикулярна площині об'єкту.

Акселерограма дозволяє встановити:

– величину і напрям прискорення у певний момент часу;

– фазовий склад рухової дії, тобто початок, кінець фаз та їх тривалість;

– дає вихідні дані для розрахунку швидкості і переміщення вздовж осі, нерухомо зв'язаній з тілом;

– дозволяє судити про складові головного вектора сил, діючих на біоланку - важіль.

Акселерограми допомагають докладно вивчити фазовий склад рухових дій, а також частоту рухів. Самі акселерометри застосовуються як датчики лічильників і тахометрів ходьби, бігу чи педалювання. Більше того, вони використовуються як сейсмодатчики для часового аналізу взаємодії спортсменів з опорною поверхнею в легкій атлетиці, гімнастиці, фехтуванні, спортивних іграх та ін.

Акселерограми руху штанги або інших тягарів дозволяють чітко оцінити величину і напрям сумарного зусилля, що прикладається до цих приладів у будь-який момент часу.

Для тарування п’єзоакселерометрів використовуються спеціальні вібростенди (рис.28). Ця операція здійснюється шляхом їх відповідної орієнтації віднос-но напрямку сили тяжіння, враховуючи частку величини прискорення вільного падіння (g = 9, 81м/с²) або на центрифугах – за приско-ренням (), виклика-ним " фіктивною" силою інерції.

Рис.28 – Схема тарувального вібростенда

Об'єктом для дослідження у нашому випадку є тенісний удар. Акселерометричний датчик малої маси m за допомогою пружного підвісу певної жорсткості монтується на тенісній ракетці. Рух її з прискоренням зумовлює виникненню в алекселерометрі сили інерції, яка зрівноважується силою пружності підвісу. Оскільки маса і жорсткість величини постійні, то переміщення маси датчика відносно об'єкта буде пропорційне лінійному прискоренню ракетки. Величина прискорення перетворюється в електричний сигнал, який подається на електронний підсилювач, і після відповідного підсилення надходить на чорнильнопишучий реєстратор і записується на паперову стрічку у вигляді акселерограми.

Акселерометр, закріплений на ракетку, руку, ногу чітко реєструє прискорення, яке виникає в результаті нерівномірного руху ракетки чи біоланки, або в результаті ударної взаємодії із зовнішнім тілом (рис.29). Прискорення, що розвиваються за час контактної фази тривалістю 0, 006 – 0, 008с (у тенісі, бадмінтоні), 0, 0015с у волейболі, до 0, 0020с у футболі, досягають значень 300-700м/c. Після чого достатньо швидко гасяться на біоланці і зберігаються у вигляді затухаючих коливань з частотою 150-200Гц у післяударній фазі.

Прискорення, які визначають за акселерограмою, дозволяють обчислити силові характеристики рухової дії. Наприклад, максимальна сила при ударі тенісного м'яча по ракетці досягає 300Н, а сила інерції, яка спрямована паралельно поздовжньої осі біоланки – 150Н.

Інтегруючи криву прискорення, можна розрахувати значення швидкості, а відтак, – інтегруючи отриману швидкість за часом, обчислюємо криву переміщення біоланки в часі.

Рис.29 – Фазовий склад ударної дії в тенісі:

а) – акселерограма; б) – хронограма:

1 – фаза руху назад для замаху - замах

2 – фаза прискореного руху вперед – ударна дія

3 – фаза взаємодії ракетки з м'ячем – контакт

4 – фаза сповільненого руху вперед – післяударна дія

5 – фаза повернення ракетки у вихідне положення

В ударних діях розрізняють наступні фази.

1. Замах – рух, який передує ударному рухові і призводить до збільшення віддалі між ударною біоланкою тіла і предметом, на який наноситься удар.

2. Ударна дія – рух від кінця замаху до початку удару. Ударом називається короткочасна взаємодія тіл, у результаті якої різко змінюються їх швидкості. При ударі час взаємодії тіл триває менше ніж 0, 03с. Якщо час контакту тіл триваліший за 0, 03с – це поштовх.

3. Контакт – зіткнення ударяючих тіл (власне удар).

4. Післяударна дія – рух ударної біоланки тіла після припинення контакту з предметом, по якому наносився удар.

5. Повернення до вихідного положення.