Построение собственных осей тела спортсмена.Для задания программы ориентации необходимо провести так называемые "собственные оси тела". Для этого тело спортсмена мысленно делят на две половины, равные по весу (верхнюю и нижнюю), находят центры тяжести каждой из половин и через эти точки от ног к голове проводят продольную ось тела (рис. 6). Остальные две оси проводятся через ОЦТ (он обязательно лежит на продольной оси тела) перпендикулярно друг другу и продольной оси тела. Продольную ось тела спортсмена мы будем обозначать ОУ', передне-заднюю – ОХ', поперечную – ОZ'. Ось ОХ' направлена вперед, параллельно плоскости симметрии таза, а ось ОZ' – вправо.
Описанные оси жестко связаны с телом спортсмена и изменяют свое положение в пространстве вместе с изменением положения тела. Ориентация тела спортсмена в пространстве задается углами, образованными осями координат, параллельными осям системы отсчета и собственными осями тела спортсмена. Указанные углы носят название "углов Эйлера". В процессе определения ориентации осей тела человека углы Эйлера отсчитываются по определенным правилам. Для описания особенностей отсчета углов Эйлера проведем из ОЦТ тела спортсмена оси, совпадающие по направлению с неподвижными осями системы отсчета OX, OУ, OZ (рис. 7). В таком случае измерение углов, определяющих ориентацию тела спортсмена, сводится к определению углов между собственными осями тела спортсмена и осями, параллельными неподвижным осям системы отсчета.
Рис. 7. Определение ориентации собственных осей тела с помощью углов Эйлера
Программа ориентации при выполнении физического упражнения. Программа ориентации представляет собой описание вращательного движения тела спортсмена, которое должно быть обеспечено в процессе выполнения двигательного действия. При вращательном движении все точки физического тела движутся по окружностям с центром в одной точке. Указанные точки поворачиваются на равные углы в течение одинаковых промежутков времени, следовательно, имеют одинаковую угловую скорость. Для задания программы ориентации необходимо провести, так называемые, "собственные оси тела". Алгоритм построения «собственных осей тела» мы рассмотрели выше. Программа позы при выполнении физического упражнения.
Программа позы представляет собой описание того, как во время спортивного движения должны изменяться углы в суставах. Для описания программы позы используют модель тела спортсмена, в которой все звенья тела представляют собой твердые тела, соединенные в биокинематические цепи (рис. 8).
Рис. 8 Упрощенная модель тела человека, применяемая в процессе определения позы
Биокинематические цепи имеют соответствующую нумерацию: правая нога — номер 1, левая — 2, правая рука — 3, левая рука — 4 и позвоночник с головой — 5 (на рис. они обозначены римскими цифрами). Каждый сустав биокинематической цепи также имеет свою нумерацию: тазобедренные и плечевые суставы — 1, коленные и локтевые — 2, голеностопные и лучезапястные — 3, суставы пальцев — 4. В процессе определения состояния такой биокинематической цепи, как позвоночник, мы будем использовать некоторые упрощения. Так, позвоночник будет состоять из 4 суставов, первый из которых будет соответствовать области поясничного отдела, второй — сочленению поясничного отдела с грудным, третий — области сочленения грудного с шейным, а четвертый — атланто-затылочному сочленению.
Индексная запись позы.
В процессе определения позы спортсмена будет использована индексная запись, в соответствии с которой любой суставной угол обозначается буквой j с тремя индексами. Например, j abc, j ilk, j i11 и т.д. Первый индекс, записанный внизу справа, обозначает номер биокинематической цепи, второй — номер сустава в этой цепи, а третий — тип суставного движения. Например, j 121 обозначает, что имеется в виду угол, образованный в коленном суставе правой ноги при выполнении суставного движения типа 1, а j 322 — угол в локтевом суставе правой руки при выполнении суставного движения типа 2. При определении позы мы будем рассматривать три типа суставных движений: циркумдукции (1), сгибательно-разгибательные (сгибания-разгибания, приведения-отведения и различные промежуточные движения) (2) и ротации (3). Каждое упомянутое суставное движение может выполняться в суставе независимо. Количество возможных суставных движений, допустимых для того или иного сустава, называется количеством степеней свободы. Некоторые суставы обладают тремя степенями свободы (имеются в виду суставные движения заметной амплитуды), например, тазобедренные, плечевые, суставы позвоночника. У других степеней свободы меньше, в частности, у локтевых суставов имеется две степени свободы, а у суставов пальцев — только одна.
Рис. 9. Суставные движения, рассматриваемые в процессе определения позы спортсмена
В процессе описания некоторых стандартных поз тела спортсмена могут быть использованы как цифровые, так и буквенные индексы. Последние делятся на три категории. Индексы могут быть фиксирующими, скользящими и специального назначения.
Матричная запись позы. Матрица позы представляет собой прямоугольную таблицу, строки которой соответствуют биокинематическим цепям тела спортсмена. В каждой строке слева направо следует перечисление значений углов во всех суставах цепи в соответствии с их нумерацией в возрастающем порядке. В соответствии с используемой моделью тела человека, в матрице имеется пять строк, каждая из которых имеет по четыре позиции (рис. 10). Первая строка сверху относится к суставам правой ноги, вторая — левой ноги, третья — правой руки, четвертая — левой руки и пятая — позвоночника.
СТОЛБЦЫ — Номера суставов 1 2 3 4
j11 j12 j13 j14 t 1 (правая нога) СТРОКИ — j21 j22 j23 j24 2 (левая нога) номера jikl= j31 j32 j33 j34 3 (правая рука) цепей j41 j42 j43 j44 4 (левая рука) j51 j52 j53 j54 2 5 (позвоночник) ë û Рис. 10. Матричная форма записи позы человека
При записи матриц позы следует обозначать моменты времени, к которым они относятся (справа-вверху), и тип суставного движения, к которому относится матрица, например:
10 0 0 0 0.5 10 0 0 0 j 2ik3 = 30 10 0 0 (1.15) -30 10 0 0 0 0 0 0 3 ë û Приведенное выражение описывает позу, приобретенную в результате суставных движений типа 3 (ротационных движений) в тазобедренных, плечевых и локтевых суставах в момент времени t = 0,5 c.
Запись переменной позы (линейное и гармоническое приближения). Для описания переменной позы предложенная методика также применима, однако в данном случае суставные углы следует представить в виде функции времени. Для такого представления могут быть использованы различного рода приближения. Наиболее простые из них — это линейное и гармоническое. При использовании линейного приближения суставной угол представляется в виде линейной функции времени вида:
j tаbс = j t0аbс + w t0—1аbс. t (1.17)
где: j tаbс — величина угла в суставе b, цепи a для суставного движения типа c в некоторый момент времени t; j t0аbс — величина угла в указанном выше суставе в начальный момент времени t 0; w t0—1аbс — средняя угловая скорость суставного движения для промежутка времени от t 0 до t 1. Недостатками линейного приближения являются использование усредненных данных о величине угловой скорости суставного движения, а также скачкообразное изменение указанной скорости в момент начала и окончания движения. Более близким к реальному суставному движению является его гармоническое приближение, предполагающее плавное нарастание угловой скорости до максимума и последующее ее снижение до нуля. При использовании гармонического приближения суставной угол выражается гармонической функцией времени:
j tabc = j t0abc + A abc sin (w abc t + a abc) (1.18)
где A abc — амплитуда суставного движения; a abc — его начальная фаза, остальные обозначения аналогичны использованным для линейного приближения. Приведенные выражения могут быть записаны не только для какого-либо конкретного суставного угла, но и для позы спортсмена в целом. В таком случае используется матричная запись суставных движений.
|
Рис. 6. Собственные оси тела спортсмена
é ù
é ù
