ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНИКИ
гимнастических упражнений на основе данных имитационного моделирования двигательных действий
Д.А. Лавшук
Могилевский государственный университет им. А.А. Кулешова, Могилев
Ключевые слова: биомеханический синтез, прогнозирующий характер, математические модели, биомеханические системы.
Введение. До последнего времени исследования, проводимые в области биомеханики двигательных действий, сводились в основном к биомеханическому анализу, т.е. к изучению уже известных форм движений на основе данных оптической регистрации спортивных упражнений [3, 7, 12, 13]. Подобный подход к биомеханическому исследованию техники спортивных упражнений можно представить в виде следующей методологической цепочки: освоенное двигательное действие - биомеханический анализ - выводы и рекомендации по совершенствованию техники упражнений и методики обучения им. Следует отметить определенную ограниченность данного подхода, заключающуюся в следующем: первоначально на практике осваивается какое-либо движение и лишь затем оно подвергается биомеханическому анализу.
В настоящее время запросы практики спортивной деятельности требуют принципиально иного подхода в области теории построения движений: недостаточно ограничиваться анализом уже известных форм движений - необходимо разрабатывать технику упражнений с заранее заданными качествами и свойствами. Методологическая цепочка взаимосвязи науки и практики выглядит в этом случае следующим образом: биомеханический синтез исследуемого движения - биомеханический анализ - выводы и практические рекомендации - освоение движения. Иными словами, коренным образом меняются место и роль научного исследования в процессе обучения. Вместо констатирующего фактора оно носит прогнозирующий характер с активным участием непосредственно в учебно-педагогическом и тренировочном процессах. Исследования в данном направлении уже проводились рядом авторов [1, 2, 4, 6, 8 -11], однако до настоящего времени синтез движений человека на ЭВМ не получил достаточно широкого распространения.
Цель нашего исследования заключалась в теоретическом обосновании применения математических моделей для совершенствования техники больших оборотов назад и вперед на перекладине и в создании программной компьютерной системы, позволяющей синтезировать оптимальное управление движениями биомеханических систем в вычислительном эксперименте на ЭВМ.
Методика. Были разработаны математические модели синтеза оптимальной техники двигательных действий [5]. Мы ограничились многозвенными неразветвленными моделями движений в условиях опоры, описывающими большие обороты назад и вперед на перекладине для спортсменов с различным уровнем технической подготовленности.
Для корректного выявления возможности построения оптимальной техники спортивных упражнений в вычислительном эксперименте на ЭВМ необходимы информативные данные о количественных показателях биомеханических характеристик исследуемой группы упражнений. Поэтому проводилась серия лабораторных экспериментов, включающих в себя видеосъемку исследуемых упражнений с последующим биомеханическим анализом видеоциклограмм.
Технология проведения констатирующего педагогического эксперимента заключалась в следующем: первоначально перед испытуемыми ставилась задача выполнить исследуемые упражнения на максимально возможном техническом уровне (1-я серия упражнений) - сформированный двигательный навык. Затем двигательная задача была изменена: выполнить упражнения с максимально возможной скоростью в момент прохождения общим центром тяжести (ОЦТ) тела спортсмена вертикального по-
Abstract
OPTIMIZATION OF GYMNASTIC EXERCISES' TECHNIQUE ON BASIS OF DATA OF MOTOR ACTIONS' IMITATING MODELING. D.A. Lavshuk
The Mogilyov state A.A. Kuleshov's university, Mogilyov, Byelorussia
Key words: biomechanical synthesis, predicting character, mathematical models, biomechanical systems.
The purpose of the research was the theoretical substantiation of the mathematical models' application for perfecting engineering of big back and forth revolutions on a crossbeam and in creating a software-hardware system, allowing to synthesize optimum control of biomechanical systems' movements in a computing experiment.
the optimum technique of investigated exercises, synthesized in the computing experiment before-hand, promotes the construction of more rational variant of exercises' performance. Even elite gymnasts do not completely use the biodynamic resources in the technical skill's perfection.
72
№1 • 2007 Январь | Januaiy
ложения над опорой (2-я серия упражнений) - упражнение с поставленной двигательной задачей. В эксперименте приняли участие 7 спортсменов высшей квалификации: мастера спорта и мастера спорта международного класса. В качестве критерия техники исследуемой группы упражнений рассматривалась линейная скорость ОЦТ тела спортсмена в момент прохождения вертикального положения над опорой.
Результаты и их обсуждение. Проведенный биомеханический анализ позволил выявить, что:
1. В упражнениях со сформированным двигательным навыком ведущую роль в эффективной организации технических действий спортсменов играют сгибательно-разгибательные движения рук в плечевых суставах. Так, например, для большого оборота назад амплитуда сгибательных движений ног составляет 60% от амплитуды сгибательных движений рук.
2. Отличительной особенностью управляющих движений в плечевых суставах является наличие двух локальных максимумов мышечной активности. Спад мышечной активности в плечевых суставах спортсмена приходится на максимум мышечной активности в тазобедренных суставах.
3. Направленность кинематического сгибания в суставах не всегда соответствует направленности приложения спортсменом мышечных усилий .
4.В упражнениях со сформированным двигательным навыком амплитуда сгибательно-разгибательных движений в плечевых и тазобедренных суставах в среднем на 6-100 меньше, чем в упражнениях с поставленной двигательной задачей.
5. Ограничения максимумов и минимумов величин моментов мышечных сил в большом обороте назад на перекладине составляют: в плечевых суставах минимум равен -140 Н-м, максимум - +250 Н-м; в тазобедренных суставах минимум и максимум соответственно равны -120 Н-м и +75 Н-м.
6. Ограничения максимумов и минимумов величин моментов мышечных сил в большом обороте вперед на перекладине составляют: в плечевых суставах минимум равен -120 Н-м, максимум - +130 Н-м; в тазобедренных суставах минимум и максимум соответственно равны -90 Н-м и +30 Н-м.
7. В больших оборотах назад со сформированным двигательным навыком максимальное кинематическое управление в плечевых суставах составляет 37°, в тазобедренных - 23°.
8. В больших оборотах вперед со сформированным двигательным навыком максимальное кинематическое управление в плечевых суставах составляет 40°, в тазобедренных суставах - 30°.
Синтез оптимального управления исследуемыми упражнениями ПЭВМ выполнялся по следующей схеме: за критерий качества техники исследуемых упражнений принималась скорость ОЦТ тела спортсмена в момент прохождения вертикального положения над грифом перекладины. В качестве начальных условий движения для математической модели принимались обобщенные координаты и скорости, вычисленные по результатам видеосъемки 2-й серии упражнений. В качестве ограничений динамических ресурсов исполнителя принимались минимальные и максимальные значения управляющих моментов мышечных сил в суставах спортсмена. В первом блоке вычислительных экспериментов дополнительно задавались ограничения на кинематические ресурсы по амплитуде реальных сгибательно-разгибательных движений спортсменов в суставах, во втором блоке вычислительных экспериментов ограничения кинематической структуры упражнений не было. Результаты вычислительных экспериментов должны были определить наиболее рациональную технику упражнений и выявить эффективную структурную организацию управляющих воздействий.
Таблица 1. Прирост функционала в синтезированных управляющих движениях в большом обороте назад на перекладине с ограничениями (1) и без ограничений (2) кинематического управления_
Номер исполнителя Прирост функционала 1,градус Прирост функционала 2, градус Прирост 1,% Прирост 2, %
1 22,94 27,56 12,67 15,22
2 14,69 37,99 7,89 20,40
3 26,81 56,26 14,69 30,83
4 19,88 48,06 11,02 26,65
5 17,48 19,46 9,32 10,38
6 14,08 18,55 8,33 10,98
7 21,92 76,66 11,22 39,22
Среднее значение, Х±пл 19,69±1,74 40,65±8,03 10,74±0,92 21,96±4,09
Таблица 2. Прирост функционала в синтезированных управляющих движениях в большом обороте
Номер исполнителя Прирост функционала 1,градус Прирост функционала 2, градус Прирост 1,% Прирост 2, %
1 33,45 51,64 17,51 27,03
2 29,22 73,59 15,17 38,20
3 8,07 80,41 4,31 42,97
4 65,06 80,86 34,97 43,46
5 1,51 11,83 0,76 5,94
6 25,55 128,27 13,71 68,82
7 128,93 130,75 70,18 71,17
Среднее значение, Х±т 41,68±16,46 79,62±15,73 22,37±8,98 42,51±8,61
№1 • 2007 Январь | ^пиа(у
73
Вычислительные эксперименты показали, что у всех испытуемых существует резерв дальнейшего технического совершенствования, позволяющий увеличить угол поворота первого звена биомеханической системы на 8-15% при оптимизации с кинематическими ограничениями и на 10-39% - при оптимизации без кинематических ограничений (табл. 1).
На рис. 1 в графическом виде представлен вклад управляющих движений в плечевых и тазобедренных суставах в формирование оптимальной техники оборота назад на перекладине с ограничениями кинематического управления для всех испытуемых.
Анализ рис. 1 показывает, что основная заслуга принадлежит сгибательным движениям как в плечевых, так и в тазобедренных суставах. Наибольший удельный вклад в формирование оптимальной техники упражнения в начальной фазе движения вносят сгибательные движения рук в плечевых суставах, а в заключительной фазе - сгибательные движения ног в тазобедренных суставах.
Вклад управляющих движений в плечевых и тазобедренных суставах в формирование оптимальной техники большого оборота назад на перекладине без ограничений кинематического управления представлен на рис. 2.
Ана
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.