Основы биомеханического контроля

Тело при  движении преодолевает силы сопротивления, величины которых различны, от небольшого торможения до сопротивления, останавливающего движущееся тело. К числу сил сопротивления, кроме внутренних сил, относят сопротивление среды (воздух, вода), силы инерции, силы трения.

Действие силы на тело, заключающееся в изменении состояния этого тела, вполне определяется следующими тремя факторами: точкой приложения силы, направлением силы, величиной силы.

Точкой приложения силы называется точка данного тела, на которую сила непосредственно  действует, изменяя состояние данного тела.

Под направлением силы понимают то направление движения, которое получит тело под действием  этой силы. Линией направления данной силы называется линия действия этой силы.

Измерение величины силы означает сравнение ее с некоторой силой, принятой за единицу. Измеряют силу обычно динамометрами разных конструкций.

Сила - величина векторная, т. е. имеющая не только числовое значение, но и направление, поэтому действие силы на тело определяется не только ее величиной, но и ее направлением.

Плавание – локомоторное, циклическое движение в воде. Оно протекает в необычной для человека среде и в несвойственном для него горизонтальном положении. При этом тяжесть тела уменьшается на вес вытесняемой им воды.

В работе мышц при  плавании статические усилия незначительны. В то же время динамическая нагрузка велика. Это связано с трудностью сохранить равновесие в воде, а также с тем, что отталкивание происходит от жидкой среды.

Сила тяжести  тела, направленная вертикально вниз, и давление воды, направленное вертикально вверх, образуют "пару сил", в результате действия которых тело должно испытывать вращательные движения. Равновесие достигается, когда общий центр тяжести тела и центр его объема (находится выше) окажутся на одной вертикали. Для этого руки вытягиваются перед головой.

Большая плотность  воды и трудность отталкивания от нее обусловливают небольшую  скорость движения. Но при горизонтальном положении тела уменьшается поверхность  сопротивления. Такое положение  необычно для человека и затрудняет координацию движений.

5. Силы действия среды.

Спортсмену  нередко приходится преодолевать сопротивление  воздуха или воды. Среда, в которой движется человек, оказывает свое действие на его тело. Это действие может быть статическим (выталкивающая сила) и динамическим (лобовое сопротивление, нормальная реакция опоры).

Выталкивающая сила — это мера действия среды на погруженное в нее тело. Она измеряется весом вытесненного объема жидкости и направлена вверх.  

Если выталкивающая  сила (Q) больше силы тяжести тела (G), то тело всплывает. Если же сила тяжести тела больше выталкивающей силы, то оно тонет.

Лобовое сопротивление — это сила, с которой среда препятствует движению тела относительно нее. Величина лобового сопротивления (R_x) зависит от площади поперечного сечения тела, его обтекаемости, платности и вязкости среды, а также относительной скорости тела:               

R_x =S_MC_xpv²;  [R_x] = MLT^-2

где S_M — площадь наибольшего поперечного сечения тела (мидель), С_х — коэффициент лобового сопротивления, зависящий от формы тела (обтекаемости) и его ориентации относительно направления движения в среде, р — плотность среды (воды — 1000 кг/м³, воздуха— 1,3 кг/м³), v— относительная скорость среды и тела.

Изменяя площадь  поперечного сечения тела, можно  изменить и действие среды. Так, у лыжника при спуске с горы в высокой стойке эта площадь почти в 3 раза больше, чем в низкой стойке. Значит, сопротивление воздуха при спуске можно изменять почти в 3 раза. Принимая в воде позы с лучшей обтекаемостью, нужно уменьшать сопротивление воды. Как известно, с увеличением скорости передвижения сопротивление воды или воздуха резко увеличивается (примерно пропорционально квадрату скорости).

Нормальная  реакция среды — это сила, действующая со стороны среды на тело, расположенное под углом к направлению его движения. Она зависит от тех же факторов, что и лобовое сопротивление:

Ry = S_MC_ypv²; [R_y] = MLT^-2

где Су — коэффициент нормальной реакции среды (в полете ее называют подъемной силой).

Нормальная  реакция среды при гребке направлена перпендикулярно силе лобового сопротивления. С.) нормальной реакцией среды как с подъемной силой приходится считаться (например, пловцу во время продвижения по дистанции, прыгуну на лыжах с трамплина  во время полета в воздухе).  

6. Силы инерции в инерционных и неинерционных системах отсчета.

  Внешние  силы изменяют движения спортсмена, вызывают ускорения — тогда-то  и возникают силы инерции.            

Сила инерции внешнего тела (реальная) — это мера действия на тело человека со стороны внешнего тела, ускоряемого человеком; она равна массе ускоряемого тела, умноженной на его ускорение:              -                 -

Fин = — ma.

  Сила инерции  внешнего тела при его ускорении  человеком направлена в сторону, противоположную ускорению. Она приложена в месте контакта с ускоряемым телом, в рабочей точке тела человека.

  Ускорение  может быть положительным; спортсмен  увеличивает скорость, например, ядра, толкая его от себя. Тогда сила инерции ядра воспринимается как сопротивление. Ускорение может быть отрицательным; спортсмен уменьшает скорость, например, набивного мяча, когда ловит его движением «на себя».

  Во вращательном  движении может проявиться еще  сила инерции тангенциальная (например, если метатель ускоряет движение руки с диском по кривой). Эта сила направлена по касательной противоположно ускоряющей силе. В таком случае можно определить и полную силу инерции.

  Сила инерции (реальная) -  неуравновешивающее противодействие ускоряемого внешнего тела (по третьему закону Ньютона).

  Иногда, используют неинерциальную («ускоряющуюся») систему отсчета, в которой законы Ньютона не применимы. В этих случаях вводят «фиктивную» силу инерции, что позволяет в расчетах применить законы Ньютона. Она имеет такую же величину (масса, умноженная на ускорение) и направлена так же (в сторону, противоположную ускорению неинерциальной системы), как реальная сила инерции. Но точкой приложения «фиктивной» силы инерции считается центр инерции самого ускоряемого тела. Фиктивна здесь не сама сила инерции, а точка ее приложения (центр инерции ядра, мяча, диска вместо рабочей точки тела человека).

   Когда  автобус быстро набирает скорость, или тормозит, или круто поворачивает, пассажиры испытывают (соответственно) толчок назад, вперед или в сторону, противоположную повороту. С точки зрения неинерциальной системы отсчета (автобус), здесь приложена «фиктивная» сила инерции (встречная, или попутная, или центробежная). С точки зрения инерциальной системы отсчета (Земля, если не учитывать ничтожно малого для этого случая влияния ее вращения) автобус изменяет скорость, а пассажиры некоторое время еще продолжают прежнее движение. Иногда спрашивают: «А как же понимать это явление на самом деле?» Ответ очень простой: явление одно и то же, только описания его в разных системах отсчета различны. Вот почему, рассматривая силы инерции, всегда надо определять, силы инерции какого тела, в какой системе отсчета и к какому телу приложены.

  В механике  нередко силами инерции называют  только «фиктивные» силы инерции  в неинерциальных системах отсчета, и это, в принципе, вполне обоснованно. Однако в биомеханическом исследовании движений человека, в которых почти всегда есть ускорения, целесообразно рассматривать также и реальные силы инерции как неуравновешивающее противодействие при ускорении.

  Применяемые  в физических упражнениях отягощения  действуют не только своим  весом (не смешивать с силой  тяжести), но и реальной силой  инерции, если отягощению придается  ускорение. По принципу эквивалентности гравитация (тяготение) и инерция (ускорение) по действию практически неразличимы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сила инерции:

а, б, в — реальная при ускорениях: а — положительном, б — отрицательном,. в — нормальном.

 

7. Использованная литература.

1. 1.Донской Д.Д., Зациорский В.М. Биомеханика: Уч-ник для ин-тов физ. культ. – М.: Физкультура и спорт, 1979. – 264с.
2. 2.Зациорский В.М. и др. Биомеханика двигательного аппарата человека/ Зациорский В.М., Аруин А.С., Селуянов В.Н. – М.: Физкультура и спорт, 1981. – 143с.
3. 3.Зациорский В.М., Михайлов Н.Г. Контактные силы в легкоатлетических упражнений.
4. Интернет.