Инструментальные методы контроля в спорте

Лекция 4. Инструментальные методы контроля в спорте План: 1. Понятие об измерительной системе. 2. Разновидности датчиков, воспринимающих информацию. 3. Разновидности инструментальных методов контроля. 3.1. Оптические и оптикоэлектронные методы регистрации движений. 3.2. Механоэлектрические методы сбора информации. §1. Понятие об измерительной системе В практике физического воспитания и спорта используются визуальные и инструментальные методы контроля. В результате визуальной оценки, специалисты получают качественное представление о субъекте измерения. Данный анализ зачастую субъективен и не основан на четких критериях. Инструментальные методы контроля объективны. С их помощью получают количественную оценку любых характеристик и показателей действий спортсмена. В основе инструментальных методов контроля лежат измерительные системы. Система измерительной аппаратуры в спорте включает в себя датчики информации, линию связи, регистрирующее устройство и вычислительное устройство. Точность методов измерения зависит от телеметрических, регистрирующих и вычислительных устройств, но в первую очередь от качества датчиков информации. §2. Разновидности датчиков, воспринимающих информацию Датчик информации – чувствительный элемент измерительной системы, воспринимающий изменения измеряемого показателя. От датчиков информация по линии связи, где измеряемая величина преобразуется в электрическую величину на основе физического закона о связи между ними, поступает в регистрирующее или вычислительное устройство. В процессе преобразования измерительной информации происходит и усиление сигнала, воспринятого датчиком. Вычислительные операции осуществляются на основе аналоговых или дискретных методов вычислений. Аналоговые методы вычисления основаны на использовании операционных усилителей, в которых осуществляются арифметические операции. Дискретные методы вычисления основаны на применении двоичных элементов, которые могут принимать только логические значения «0» или «1». Основное назначение датчиков – восприятие физических величин, характеризующих измеряемые явления. В практике спорта наибольшее распространение получили датчики, регистрирующие биоэлектрические процессы и биомеханические характеристики. К биомеханическим характеристикам относятся динамические и кинематические показатели (сила, ускорение, скорость перемещения, массы и т.д.). Среди датчиков, регистрирующих биомеханические характеристики, наиболее часто применяются: Фотодиоды используются в устройствах, с помощью которых измеряют время движения. Основу этих датчиков составляет слой, воспринимающий световой поток. Во время движения спортсмена мимо датчика изменяется световой поток и уменьшается освещенность слоя. Сигнал, воспринятый датчиком и преобразованный в физические величины (сопротивление и напряжение), передается в другие блоки измерительной системы, сравнивается с эталонами, обрабатывается и отражается в виде времени или скорости бега. Однако, фотодиоды чувствительны в диапазоне от 0 до 500 Гц и имеют погрешность в 1-3%. Это необходимо учитывать при особо точных измерениях. Реостатные датчики используются в устройствах, с помощью которых измеряют амплитуду движений в различных суставах. Датчики отличаются высокой чувствительностью и сравнительно небольшой погрешностью. Тензорезисторы являются чувствительным элементом измерительной системы, с помощью которой оцениваются динамические показатели движения (сила отталкивания, сила удара и т.д.). Тензодатчики служат для преобразования в электрический ток механических напряжений, возникающих в спортивном инвентаре или специальном силоизмерительном элементе. Тензодатчик наклеивается на силоизмерительный элемент и подключается к мостовой измерительной схеме тензоусилителя. Развиваемая спортсменом сила вызывает механическую деформацию элемента, в результате чего, деформируется тензодатчик. Определив деформацию, можно рассчитать приложенную силу. В основе тензорезисторов лежит тот же физический принцип, что и реостатных датчиков: при растяжении или сжатии проводника изменяются его длина, площадь сечения и удельное сопротивление. Эти изменения зависят от вектора силы и в пределах упругости материала проводника пропорциональны ей. Очень важно правильно выбрать силоизмерительный элемент (место фиксации датчиков). Широкое распространение в спорте получили тензодинамографические платформы, позволяющие измерить вертикальную и горизонтальную составляющие опорной реакции. Наряду с тензосопротивлениями, для измерения сил, используются пьезокристаллические и пьезокерамические датчики. Пьезоэлектрический эффект состоит в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых материалов при их деформации. Чем больше воздействующая на пьезодатчик сила, тем больше генерируемый им электрический сигнал. Акселерометры предназначены для измерения ускорений. В основе работы датчика лежит измерение силы инерции, возникающей при движении. Сила инерции вызывает отклонение массы акселерометра, которое прямо пропорционально ускорению. Это отклонение измеряется тензорезистором или пьезоэлектрическим датчиком. §3. Разновидности инструментальных методов контроля Инструментальные методы контроля делятся на две группы: 1) оптические и оптикоэлектронные методы и 2) механоэлектрические методы. 3.1. Оптические и оптикоэлектронные методы регистрации движений Оптические и оптикоэлектронные методы предназначены для дистанционного и бесконтактного контроля за спортсменом. Оптические методы регистрации движений включают в себя фотосъемку и киносъемку. При фотосъемке изображение фокусируется на неподвижной фотопластинке или фотобумаге; при киносъемке – на движущейся светочувствительной пленке. Результаты фото- и киносъемки применяются для общей оценки правильности выполнения двигательных действий, соответствие их заранее определенным эталонам. Таким образом, можно судить о качественной оценке движений. Количественная оценка проводится при помощи циклографии или стробофотографии. Стробофотограмма представляет собой совмещенное на одном фотоснимке изображение нескольких последовательных поз движения. Если на теле спортсмена укрепить миниатюрные лампочки, светодиоды (маркеры), то в результате регистрации получим циклограмму, представляющую собой прерывистую линию, отражающую траекторию перемещения сегмента тела. Зная скорость регистрации вращения обтюратора, по расстоянию между точками прерывистой линии можно рассчитать скорость перемещения сегментов. Оптико-электронная регистрация движений преимущественно осуществляется с помощью телевизионных и фотоэлектронных методов. К телевизионным относятся: телециклография и видеомагнитофонная запись. Телециклография характеризуется тем, что траектории движения регистрируются телевизионной камерой и воспроизводятся на телевизионном экране. Видеозапись заключается в том, что оптическое изображение движения преобразуется в электрический сигнал и записывается на магнитной ленте. Фотоэлектронные методы измерения основаны на фотоэффекте. Углубленное изучение биомеханики движений проводится с помощью стереофотограмметрического метода. 3.2. Механоэлектрические методы сбора информации Механоэлектрические методы регистрации движений применяются для регистраций биоэлектрических процессов, происходящих в организме спортсменов, а также при измерении биомеханических характеристик движений. Основные биоэлектрические процессы, информативно отражающие соревновательную и тренировочную деятельность оцениваются после регистрации электрокардиограммы (ЭКГ) и электромиограммы (ЭМГ). Электрокардиограммой называется кривая изменения электрических потенциалов, возникающих при возбуждении и сокращении сердечной мышцы. Метод электромиографии используется для фиксации изменения биоэлектрических потенциалов, возникающих при функционировании мышц. Метод электромиографии (ЭМГ) может быть использован в качестве средства объективной регистрации различных проявлений деятельности двигательной системы человека. Он дает более полную информацию о функционирующей мышце, чем другие методы исследования. ЭМГ представляет собой быстро, и достаточно просто, проводимые исследования, дающие срочную информацию о деятельности двигательной системы. В условиях покоя мышцы не обнаруживают электрической активности. Между потенциалами наружной и внутренней поверхности мышечного волокна, находящегося в покое, имеется разница электропотенциалов, которая поддерживается клеточной мембраной таким образом, чтобы потенциал внутренней поверхности имел отрицательный знак, а потенциал наружной поверхности – положительный. Сокращение мышечных волокон сопровождается изменением биоэлектрических потенциалов. Биоэлектрические потенциалы, возникающие в мышцах, снимаются поверхностными электродами. Эти биоэлектрические сигналы усиливаются каналами усиления настолько, чтобы сигналы, снятые с выходов усилителей, были достаточно большими для подачи на УВО (устройство визуального отображения) и на компьютер. На экране УВО можно непосредственно наблюдать форму, амплитуду и длительность биоэлектрического потенциала. Измерение биомеханических показателей осуществляется при помощи следующих методов: 1. Для регистрации силовых качеств наиболее часто применяется метод динамометрии. Метод динамометрии предполагает использование механических динамометров пружинного типа. Данный метод позволяет оценить максимальные силовые возможности спортсменов в статическом режиме. В практике спорта, при определении силовых качеств, очень часто ограничиваются лишь кистевой и становой динамометрией. Однако следует отметить, что динамометрия кисти является малоинформативным тестом, так как по силе мелких мышц – сгибателей пальцев невозможно судить о силовой подготовленности спортсменов в целом. Чтобы получить объективные данные о функциональном состоянии мускулатуры, при измерении следует обратить внимание на основные группы мышц, участвующие в специфичной для данного вида деятельности работе. Оценить любые силовые показатели, а также силовую выносливость позволяет метод тензодинамографии. Преимущество данного метода состоит в том, что регистрация силовых качеств возможна в динамическом режиме при выполнении соревновательного упражнения или упражнении, близком к нему по структуре двигательных действий. 2. Для определения скоростных качеств спортсмена используется метод спидометрии. Способ спидометрии основан на эффекте Доплера, и позволяет дистанционно и бесконтактно измерять скорость на прямых отрезках дистанции. Метод акселерометрии позволяет измерить ускорение. Данный метод основан на использовании тензоэффекта и пьезоэффекта, которые позволяют измерить силу инерции, возникающую при ускорении или торможении движущегося тела. 2. Для регистрации гибкости наиболее часто применяется метод гониометрии. Данный метод предполагает использование механического гониометра – угломера, к одной из ножек которого прикреплен транспортир. Ножки гониометра крепятся на продольных осях сегментов, образующих сустав. При выполнении движения изменяется угол между осями сегментов, и это изменение регистрируется гониометром. Наиболее точным методом определения гибкости является метод электрогониометрии, в основе которого лежит механоэлектрический способ регистрации амплитуды движения. В этом случае транспортир заменяют потенциометрическим датчиком, что дает возможность получить гониограмму. Данный метод позволяет проследить за изменением суставных углов в различных фазах движения. 4. Для регистрации колебаний тела в положении стоя применяется метод стабилографии. Данный метод применяется в тех видах спорта, где способность сохранять равновесие является важным фактором спортивного мастерства. При регистрации стабилограммы датчиком служит стабилографическая платформа, представляющая собой металлическую площадку. Стабилография позволяет также проводить тестирование состояния нервной системы спортсмена.