Использование компьютерных технологий (3D моделирование) при обучении технике двигательного действия в легкой атлетике, гимнастике и акро

Использование программ 3D и 2D моделирования позволяет  создать анимированную модель спортсмена и визуально оценить эффективность разработанных алгоритмов двигательных действий, исследовать в интерактивном режиме различные варианты ответных действий соперника. Технология итеративности созданной модели, изменение морфологических и биодинамических установок, предоставляет возможность осуществления дифференцированного подхода к моделированию различных технико-тактических ситуаций конкретного спортсмена.

Разработка  алгоритмов наиболее эффективных и  эргономичных атакующих и контратакующих тактических действий предоставляет возможность качественно улучшить систему управления тренировочным процессом, конкретизируя задачи подготовки. 
 
Сказанное указывает на актуальность использования современных информационно-компьютерных технологий, позволяющих моделировать, виртуально тестировать, осуществлять оперативный анализ и контроль в процессе совершенствования технико-тактических действий.

Биомеханическая характеристика модели движения

Для изучения движений строят модель тела — биомеханическую систему.

Биомеханическая  характеристика модели движения помогает разобраться  в сложных механизмах формирования двигательных действий и, следовательно, найти пути овладения  техниками и тактиками, их совершенствования  и исправления возможных ошибок.

Биомеханическими  характеристиками называются показатели, используемые для количественного  описания и анализа двигательной деятельности. Все биомеханические  характеристики делятся на кинематические, динамические и энергетические. У них разное назначение: кинематические характеризуют внешнюю картину двигательной деятельности, динамические несут информацию о причинах изменения движений, энергетические дают представление о механической производительности и экономичности.

Биомеханические характеристики описывают поступательные и вращательные движения. Поступательным называется такое движение, при котором  все точки тела перемещаются по одинаковым траекториям. При вращательном движении движущиеся точки тела перемещаются по круговым траекториям, центры которых лежат на оси вращения.

Но в  большинстве движений человека поступательный и вращательный компоненты присутствуют одновременно, такие движения называются составными. Причем двигательный аппарат  человека устроен так, что все  движения (в том числе и поступательные) образуются из комбинаций вращательных движений в суставах.

Положение любой точки тела (например, любого сустава) или положение спортивного  снаряда (например, мяча) определяется координатами в той или иной системе  координат. Наиболее популярна прямоугольная  система координат, в которой  положение материальной точки в  пространстве описывается ее координатами на трех взаимно перпендикулярных осях (вертикальной и двух горизонтальных—  продольной и поперечной).

При выполнении двигательного действия положение  тела или спортивного снаряда  изменяется. При этом их материальные точки движутся в пространстве по линиям, которые называются траекториями.

Траектория  может иметь любую, сколь угодно сложную форму. В отличие от нее  линейное перемещение — расстояние по прямой (точнее, вектор, поскольку, говоря о перемещении, необходимо указывать не только расстояние, но и направление) между конечным и начальным положением тела. Линейное перемещение измеряется в единицах длины (метрах).   
Угловое перемещение — угол поворота тела или отдельного сегмента. Угловое перемещение измеряется в градусах.

 
 
  
Ускорение характеризует быстроту изменения скорости.

 
Получаемые в результате измерений  и расчетов величины перемещения, скорости и ускорения зависят от принятой системы отсчета. Например, при беге скорость руки или ноги относительно беговой дорожки равна ее скорости относительно общего центра масс бегуна плюс или минус скорость общего центра масс относительно дорожки. Этот факт необходимо учитывать при определении  механических энергозатрат и выявлении  энергетически оптимальных режимов двигательной деятельности. 
При изучении периодически повторяющихся движений (циклических) важно знать: 
1) темп (n) — число движений в единицу времени;

2) длительность  цикла (Т) — интервал времени между одинаковыми фазами циклического движения.

Темп  и длительность цикла связаны между собой соотношением:

Например, если брассист выполнит 50 циклов в минуту:

то длительность цикла равна:

Мы только что встретились с новым и  очень важным понятием — фаза двигательного  действия. Фазами называются временные  элементы двигательных действий. Например, ударное действие теннисиста состоит  из пяти фаз, длительности которых обозначены. 
Соотношение длительностей фаз называется ритмом двигательного действия. Графическое изображение ритма называется хронограммой.

Фазовый анализ двигательной деятельности —  один из самых полезных методов, применяемых  при биомеханическом контроле. Определение  длительностей фаз, ритма и построение хронограммы позволяют “читать” и “записывать” элементы двигательной деятельности подобно тому, как по нотам можно записывать и воспроизводить музыку. Тем самым возникает возможность  документирования техники и тактики, запоминания и изучения лучших образцов, целенаправленного обучения.

Переходим к описанию динамических характеристик. В отличие от кинематических их невозможно оценить по внешней картине движений, на глаз. Здесь всегда требуется  измерительная аппаратура. Динамические характеристики измеряют потому, что  именно они помогают разобраться  в сложных механизмах формирования движений и, следовательно, найти пути овладения ими, их совершенствования  и исправления возможных ошибок. Ведь ошибки в кинематике (внешней  картине движений) всегда есть следствие  несвоевременных и нерациональных (недостаточных или чрезмерных) мышечных усилий и неумелого использования внешних сил.

Ускорение, приобретаемое телом, обратно пропорционально  его инертности и прямо пропорционально  воздействующей силе.

Чтобы найти ускорение тела в поступательном движении, достаточно знать величины силы и массы. При вращательном движении ситуация сложнее. Во-первых, инертность вращающегося тела определяется не массой, а моментом инерции. Во-вторых, эффект действия силы в этом случае зависит  не только от ее величины, но и от места  приложения. Чем длиннее плечо  силы— кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы, тем больше момент силы, или вращающий момент (М), равный произведению силы на ее плечо.

Поскольку ускорение есть приращение скорости в единицу времени  
то: 
 
   

где  
 — интервал времени от начала до окончания действия силы; 
 
  — средние величины силы и вращающего момента.

Здесь нам открывается закономерность, которую мы хорошо знаем в повседневной жизни, но не всегда используем при  занятиях физкультурой и спортом. Она  состоит в том, что эффект действия силы (в данном случае приращение скорости) зависит не только от величины силы, но и от продолжительности ее действия.

В связи  со сказанным еще две биомеханические  характеристики получили “права гражданства”.

Переходим к рассмотрению энергетических характеристик. Большинство из них вычисляется  из кинематических и динамических характеристик. Так, механическая работа есть произведение силы на перемещение.

Например, для того чтобы подняться по канату на высоту 5 м, мальчик с массой тела в 30 кг выполняет работу около 1500 джоулей: 30 кг ∙ 9,8 м/с² · 5 м ≈ 300 Н · 5 м = 1500 Дж.

Если  этот подъем длился 10 с, развиваемая  мальчиком мощность равна 1500 Дж : 10 с=150 Вт. Это значительная мощность (вспомните, как ярко светит такая электрическая лампочка). 
 
Мы получаем возможность определить мощность коротких интенсивных движений (например, ударов по мячу, боксерских ударов и других ударных действий), когда механическую работу определить трудно, но можно измерить силу и скорость. Так, при ударе классного футболиста по мячу сила действия может достигать 400 Н, а скорость вылета мяча 30 м/с. В этом случае развиваемая мощность составляет 12000 Вт. Образно говоря, при таком ударе на короткий миг зажигается 120 электрических лампочек, по 100 Вт каждая.

Совершаемая человеком механическая работа расходуется  на увеличение потенциальной и кинетической энергии человеческого тела, спортивных снарядов и других предметов.  
До сих пор речь шла о механической работе и мощности. Но, как известно, в форму механической энергии превращается меньшая часть энергии, образующейся в мышцах. Большая ее часть переходит в тепло.

Подобно тому как технические машины (автомобиль, тепловоз) характеризуются коэффициентом полезного действия, экономичность двигательного аппарата человека описывается рядом аналогичных показателей. В их числе:

 
где Е — кол-во метаболической энергии (метаболическая энергия образуется в клетках нашего тела в результате трех типов биохимических реакций, Дж; Ё — скорость ее расходования, Вт;

Для того чтобы определить энергетическую стоимость  бега, нужно разделить скорость расходования метаболической энергии на скорость бега:

 
Например, пульсовая стоимость ходьбы, бега и других циклических локомоций  вычисляется по формуле

Пульсовую стоимость проще измерить, чем  энергетическую. И, кроме того, в  некоторых ситуациях пульсовая  стоимость информативнее энергетической (например, при биомеханическом контроле за двигательной деятельностью в условиях жары).

Биомеханические характеристики — один из хрестоматийных вопросов биомеханики. Без свободного владения сведениями о биомеханических  характеристиках так же нельзя рассчитывать на успех в изучении и практическом применении биомеханики, как невозможно читать книгу, не зная алфавита.

Количественная  оценка технико-тактического мастерства

Технико-тактическое  мастерство, или двигательную культуру, человека предопределяют:

1. объем техники и тактики;
2. разносторонность техники и тактики;
3. эффективность и рациональность техники и тактики;
4. освоенность техники и тактики.

Объемом техники называется совокупность технических  приемов, которыми владеет человек. Объем тактики — совокупность тактических вариантов, которыми владеет  спортсмен или спортивный коллектив.

Для контроля за объемом техники и тактики  служат шкалы наименований.  
В каждом виде двигательной деятельности свой арсенал технических приемов и тактических вариантов. Объем техники и тактики обычно составляет часть этого арсенала.

Лишь  мастерски подготовленный человек  владеет всеми богатствами техники  и тактики. Но и он реализует все  свои технико-тактические возможности (общий объем техники и общий  объем тактики) только в спокойной  обстановке. В стрессовой ситуации (например, на спортивных состязаниях) используется только соревновательный объем техники и тактики, составляющий часть общего объема. Например, в  арсенале борьбы самбо несколько  сотен приемов. Но даже мастер спорта в совершенстве владеет лишь десятками  из них. На ответственных соревнованиях  он применяет несколько наиболее отработанных приемов, а завершает  схватку, как правило, одним или  двумя коронными приемами.  
 
В практической деятельности педагог старается приблизить общий объем техники и тактики своих учеников к технико-тактическому арсеналу данного вида спорта и, кроме того, стремится увеличить соревновательный объем техники и тактики. Достигается это разучиванием новых приемов и освоением уже разученных, в процессе чего повышается разносторонность, эффективность и освоенность техники и тактики.

Технический арсенал каждого вида спорта состоит  из групп технических элементов. Например, техника борьбы включает в себя приемы борьбы в стойке и  в партере. А объем техники  гимнаста состоит из технических  элементов, выполняемых на различных  снарядах. Техника называется разносторонней, если в объеме техники в равной мере представлены технические приемы из различных групп.