Эргономическая биомеханика

Автор: Илья Берхин, 15 Ноября 2010 в 21:06, курс лекций

Описание работы

История и современные направления биомеханики как науки.
Основы биомеханического контроля.
Измерения в биомеханике. Шкалы измерений и единицы измерений.
Классификация биомеханических характеристик и их единицы измерения.

Работа содержит 1 файл

Эргономическая_Биомеханика.doc

— 678.00 Кб (Скачать)

    Если  число Фруда меньше единицы (Ф<1), то выгоднее ходьба, а при Ф>1 выгоднее бег. Граничная скорость соответствует условию Ф=1 и, следовательно, может быть рассчитана по формуле

    

    Энергетические  затраты зависят от многих факторов, в том числе от сочетания длины  и частоты шагов. При слишком  коротких или чересчур длинных шагах (что соответствует недостаточной  или чрезмерной силе отталкивания) энергозатраты на 1 м пути выше, чем  при оптимальном сочетании длины и частоты шагов (рис. 77). Например, отклонение длины шага от оптимальной величины на 6% при беге со скоростью 4 м/с увеличивает энергетические затраты, приходящиеся на метр пути в среднем на 1 Дж.   

Оптимизация ходьбы и бега.

    Для оптимизации ходьбы и бега прежде всего необходимо минимизировать непроизводительные энергозатраты.

    Это важно и в том случае, когда  критерием оптимальности служит экономичность и когда основной целью является повышение соревновательного  результата.

    В процессе оптимизации ходьбы и бега решаются следующие задачи:

    1)   Выбор оптимальной скорости, длины шага и темпа. Наиболее экономичные величины скорости, длины шага

    и темпа изменяются с возрастом (рис. 78). Из рисунка видно, что у детей  и пожилых людей уровни оптимальных показателей ниже (за исключением темпа у детей), чем у здоровых людей в возрасте расцвета двигательных возможностей. На их величину оказывает влияние ряд факторов: состояние здоровья, спортивная квалификация, степень тренированности, утомление, качество обуви и т. д.

    2)   Снижение вертикальных и поперечных колебаний о. ц. м.  

    Рис. 78. Возрастные изменения оптимальной по экономичности скорости и оптимального сочетания длины и частоты шагов при ходьбе (А) и беге (Б); вертикальными отрезками показаны доверительные интервалы, в пределы которых попадает 95% всех случаев  

    В ходьбе и беге полезной работой является только горизонтальная внешняя работа. Вертикальные и поперечные перемещения тела относятся к непроизводительным движениям. Однако ошибочно думать, что, устранив вертикальные перемещения тела совсем, можно сделать ходьбу и бег более экономичными. Наоборот, при полном отсутствии вертикальных колебаний их энергетическая стоимость возрастает, так как движения становятся скованными и теряется та часть энергии, которая при естественной технике движений рекуперируется. Существует оптимальная величина размаха вертикальных колебаний о. ц. м., при которой энергозатраты при ходьбе и беге минимальны.  

    Наряду  с оптимальной скоростью, о которой  уже рассказывалось, имеет важное значение зона экономичных режимов  передвижения. Зоной экономических режимов называется диапазон скоростей от оптимальной (наиболее экономичной) до пороговой, соответствующей уровню анаэробного порога (Анаэробный порог — это интенсивность физической нагрузки, начиная с которой из-за значительного усиления анаэробного метаболизма происходит накопление лактата в крови. Подробное объяснение этого феномена в курсе биохимии). Уменьшение скорости бега и ходьбы по сравнению с оптимальной нерационально, так как приводит к возрастанию энергетической стоимости метра пути. Бег со скоростью выше пороговой вызывает накопление в организме молочной кислоты и других продуктов метаболизма, а это приводит к сильному утомлению.

    Передвижение  с наиболее экономичной скоростью  используется в качестве поддерживающей физической нагрузки, для больных  и ослабленных такая нагрузка является развивающей. Пороговая интенсивность бега в спорте считается оптимальной при формировании основ выносливости. 

Биомеханика передвижения на лыжах. Кинематика лыжных ходов

    Используются  различные способы передвижения (лыжные ходы), выбор которых зависит  от рельефа местности, условий скольжения, уровня подготовленности лыжника. Двигательные действия лыжника носят циклический характер. Цикл делится на временные интервалы — периоды, состоящие из отдельных фаз. Границей между соседними фазами считается момент, когда лыжник находится в строго определенном положении (граничной позе) и начинается выполнение задачи следующей фазы.

    Лыжные  ходы разделяют по способу отталкивания палками на попеременные и одновременные. По числу шагов в одном цикле  выделяют двухшажный, четырехшажный  и бесшажный ходы.

    Попеременный  двухшажный ход применяется на равнинных  участках и отлогих склонах (до 2°), а при очень хорошем скольжении—  и на подъемах средней крутизны (до 5°). Одновременный одношажный ход  применяется на равнинных участках, на отлогих подъемах при хорошем скольжении, а также на уклонах при удовлетворительном скольжении. В каждом цикле лыжник делает одно отталкивание одновременно двумя палками и одно отталкивание лыжей.

    Неодновременное выполнение отталкивания ногами и руками обусловливает меньшие перепады внутрицикловой скорости. Отталкивание палками обеспечивает ускорение общего центра масс тела во второй фазе и превышение скорости над среднедистанционной в последующей фазе.

    В этом способе большее перемещение  за цикл (около 7 м) сочетается с невысокой  частотой шагов (около 0,75 1/с).

    Одновременный двухшажный ход — это такой  способ, когда одно отталкивание палками  приходится на два отталкивания лыжами — левой и правой. Он экономичнее  всех других лыжных ходов (кроме попеременного  четырехшажного), но не обеспечивает высокой скорости, поэтому высококвалифицированные лыжники им не пользуются. 

    

    Рис. 82. Фазовый состав и граничные позы при передвижении попеременным двухшажным ходом (по X. X. Гроссу, Д. Д. Донскому)  

    Одновременный бесшажный ход применяется на равнинных участках и пологих  спусках при обычном и хорошем  скольжении. Лыжник скользит на двух лыжах, не делая шагов и отталкиваясь одновременно обеими палками (рис. 83). Этот ход используется при скорости не более 7,5—8,0 м/с, так как при более высокой скорости лыжник не успевает отталкиваться палками.

    Полный  цикл одновременного бесшажного хода состоит из одновременного отталкивания двумя руками и последующего двухопорного скольжения на лыжах (см. рис. 83).

    Попеременный  четырехшажный ход в соревнованиях  уже не используют из-за низкой скорости передвижения, но он успешно применяется  в туристических походах, когда  глубокий снег не позволяет активно отталкиваться палками. Цикл этого хода состоит из четырех скользящих шагов. На первые два шага лыжник поочередно выносит палки вперед, на третий и четвертый шаги делает два попеременных отталкивания палками.

    

    Рис. 83. Хронограмма и фазовый состав одновременного бесшажного хода (по М. А. Аграновскому с соавт.) 

    Коньковые способы передвижения широко используются с 1981 г., когда финский лыжник Сиитонен, которому тогда было уже за 40, впервые применил его в соревнованиях (в гонке на 55 км) и выиграл. Лыжи оригинальной конструкции (пластиковые, с металлическими вставками и т. п.) и современные способы подготовки трассы позволяют реализовать преимущества этого хода в скорости, а при равной с классическими ходами скорости — в экономичности. В коньковых способах отталкивание осуществляется скользящей лыжей. При этом практически не играет роли коэффициент сцепления лыжи со снегом. Сила отталкивания уменьшена, а время отталкивания увеличено (около 50% от длительности шага).

    К числу наиболее распространенных вариантов  конькового хода относятся: одновременный  полуконьковый ход (на одно отталкивание руками приходится одно отталкивание ногой), коньковый одновременный двухшажный ход (в цикл хода включаются одновременное отталкивание палками и два шага), коньковый одновременный одношажный ход (одновременное отталкивание обеими руками на каждое отталкивание ногой), коньковый попеременный ход (на каждое отталкивание рукой следует отталкивание одноименной ногой). Схематическое изображение перечисленных способов передвижения представлено на рис. 85. При хороших условиях скольжения на равнине при передвижении одновременным полуконьковым ходом длина шага у мужчин составляет 6,5—7,5 м, а у женщин — 5,5—6,7 м. В коньковом одновременном двухшажном ходе длина шага несколько больше — у мужчин 7—8 м. На подъемах крутизной 5° при передвижении коньковым попеременным ходом длина шага 4—5 м, а на подъеме 10° 2,7—3,2 м.

    

    Рис. 85. Схематическое изображение различных  коньковых способов передвижения на лыжах (вид сверху):

    А — полуконьковый одновременный  ход; В — коньковый одновременный  двухшажный ход; В — коньковый  одновременный одношажный ход; Г  — коньковый попеременный ход. Условные обозначения: пунктир — кривая перемещения  общего центра масс; -> — направление движения (по А. В. Кондрашову)  

    Преимущество  конькового хода перед классическими  по скорости достигает 15—20%. Крутизна подъема 8—9° при хороших условиях скольжения является граничной, когда  возможности ходов уравниваются. На более крутых участках выигрышнее подъем скользящим и ступающим шагом, на более пологих — коньковый.  

Биомеханика езды на велосипеде. Кинематика педалирования.

    Езда  на велосипеде — наиболее рациональный способ передвижения, поскольку благодаря  седлу, поддерживающему и стабилизирующему тело, до минимума снижаются затраты энергии на перемещение тела в пространстве. Ведь активны только ноги велосипедиста, вращательное движение которых обеспечивает продольное перемещение тела.

    Процесс вращения шатунов велосипеда называют педалированием. Педалирование есть результат трех одновременно совершаемых вращательных движений (рис. 89):

    — бедра вокруг оси, проходящей через  тазобедренный сустав;

    — голени относительно коленного сустава.

    — стопы относительно голеностопного сустава. Эффективность двигательных действий велосипедиста

    зависит от посадки и техники педалирования. Посадкой называют позу гонщика на велосипеде. В зависимости от наклона  туловища различают низкую, среднюю  и высокую посадку. Чем ниже посадка, тем горизонтальнее расположено туловище и тем меньше мидель (т. е. наибольшая величина площади сечения, перпендикулярного воздушному потоку). Следовательно, меньше и сила лобового сопротивления воздуха. Поэтому гонщики, как правило, применяют низкую посадку. Но при низких скоростях (например, при езде на велосипеде в оздоровительных целях) привычнее и удобнее средняя и высокая посадка.  

    

    Рис. 89. Оси и направления вращения сегментов ног при педалировании на велосипеде (по Hay)  

    При педалировании центры масс левой  и правой ноги движутся по круговым траекториям, а вот общий центр  масс двух ног практически не перемещается относительно велосипеда. Из этого следует, что при езде по горизонтальной поверхности вертикальные перемещения общего центра масс практически отсутствуют и, следовательно, работа, направленная на вертикальные перемещения тела, близка к нулю.

    Характер  изменения углов в коленном, тазобедренном и голеностопном суставах напоминает синусоиду, а минимальные и максимальные пределы величин суставных углов составляют соответственно 40—140°, 20—70° и 80—100°. 

Динамика  и энергетика езды на велосипеде.

    При педалировании целесообразно, чтобы и правая, и левая нога в каждый момент времени создавали положительный (продвигающий вперед) момент силы. Это неосуществимо при импульсном педалировании и возможно при круговом педалировании при наличии специальных приспособлений— туклипсов и велошипов. Туклипсы необходимы для подтягивания педали вверх, а шипы — для ее проводки, т. е. перемещения назад и вперед.

    Совместное  действие мышц в режиме, близком  к изометрическому, позволяет хорошо подготовленному велосипедисту  развить силу 2500—3500 Н, а при проводке и подтягивании — 800—1100 Н.

    При передвижении на велосипеде механическая энергия затрачивается на преодоление  силы трения качения и силы сопротивления  воздуха (внешняя работа) и на перемещение  ног относительно ОЦМ (внутренняя работа). Внешняя работа зависит от скорости передвижения, посадки и экипировки велосипедиста и коэффициента трения качения. Трение качения зависит от типа дорожного покрытия и самих колес. Чем больше поперечное сечение и ниже давление воздуха в шинах, тем больше трение качения и, следовательно, дополнительные затраты энергии. При езде по гладкой твердой поверхности на велосипеде со стандартными колесами, с давлением в них 7—8 атм стоимость метра пути вдвое меньше по сравнению с обычной ходьбой и втрое меньше, чем при беге. На очень гладких поверхностях затраты энергии уменьшаются наполовину, а на мощенных камнем дорогах, наоборот, возрастают вдвое.

    Потери  энергии на трение в системе передачи и осях хорошего велосипеда малы. Поэтому  работа, затрачиваемая на преодоление  сопротивления воздуха,— наиболее весомая фракция полной механической работы велосипедиста. Так, при скорости 5 м/с на преодоление сопротивления воздуха затрачивается около 50% всей развиваемой мощности, а при скорости 10 м/с уже 80%. Именно поэтому так важно снижать аэродинамическое сопротивление. Для этого поза и одежда велосипедиста должны быть наиболее обтекаемыми.

Информация о работе Эргономическая биомеханика