Биомеханика вертикальной устойчивости и оценка ее в спорте

На правах рукописи

БИЛЕНКО АЛЕКСАНДР ГРИГОРЬЕВИЧ

БИОМЕХАНИКА ВЕРТИКАЛЬНОЙ

УСТОЙЧИВОСТИ

И ОЦЕНКА ЕЕ В СПОРТЕ

01.02.08 – Биомеханика

13.00.04 – Теория и методика физического воспитания,

спортивной тренировки, оздоровительной и

адаптивной физической культуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата педагогических наук

Майкоп – 2008

Работа выполнена на кафедре биомеханики Санкт-Петербургском государственном университете физической культуре им. П.Ф. Лесгафта

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Иванова Галина Павловна

Официальные оппоненты: доктор педагогических наук, профессор

Сляднева Любовь Николаевна

Доктор биологических наук, профессор

Трембач Александр Борисович

Ведущая организация: Российский государственный университет

физической культуры, спорта и туризма

Защита диссертации состоится « 30 » июня 2008 г. в 10.00ю час, на заседании диссертационного совета Д. 212.001.01 при Адыгейском государственном университете по адресу: 385000, г. Майкоп, ул. Университетская, 208.,.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Адыгейского государственного университета.

Автореферат диссертации разослан « 28 » мая 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат педагогических наук, доцент М.Х. Коджешау

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Повышение эффективности обучения и тренировки в спорте в эпоху острой конкуренции во многом зависит от внедрения новых технологий и инноваций (В.Н. Курысь, 2004; Г.И. Попов, 2005; И.М. Козлов, 2005; Н.Б. Кичайкина, Я.К. Коблев, И.М. Козлов, А.В. Самсонова, 2000; И.П. Ратов, 1995; В.К. Бальсевич, 2000; Ю.Т. Черкесов, 1990-2004; И.Б. Козловская, 2007).

Разработка новых технологий в области биомеханики устойчивости человека тормозится по причине отсутствия единого научного представления о сохранении вертикальной позы. Устойчивость – один из основополагающих механизмов двигательной системы, но до сих пор нет общепринятого показателя качества устойчивости (В.С. Гурфинкель, 1965; Д.Д. Донской, В.М. Зациорский, 1979; Г.Ц. Агаян, 1967; Е.А. Лукунина, А.А. Шалманов, 2000).

Наибольшее число публикаций по проблеме вертикальной устойчивости в научной и спортивной литературе приходится на расцвет компьютерных технологий и имеет пик в 90-е годы. В настоящий момент интерес к регуляции позы проявляют в основном травматологи и ортопеды, работники детских реабилитационных центров (Д.В.Скворцов, 2000), но не специалисты в области спорта.

Актуальность данного исследования вызвана острой необходимостью получения новых знаний о вертикальной устойчивости живой системы, что осложняется отсутствием научной концепции и соответствующей аппаратуры.

Новизна исследования в том, что найден подход к определению суставной жесткости опорно-двигательного аппарата человека (И.М. Козлов, 1984; А.С. Аруин, 1984; Г.П. Иванова, 1991), знание жесткости при вращении является обязательным условием модельного и экспериментального изучения процесса поддержания ортоградной стойки.

Существует потребность в интегральном количественном показателе качества устойчивости, но при этом не обоснован и не разработан способ исследования вертикальной устойчивости, как важнейшее условие определения этого параметра.

Возникла необходимость поиска биомеханических закономерностей формирования и развития механизма устойчивости человека и количественного контроля устойчивости, а это невозможно осуществить без создания комплексной биомеханической аппаратурной методики исследования вертикальной позы. Есть потребность в научном обосновании требований к техническим средствам для разработки технологии определения качества устойчивости.

На сегодня отсутствуют научно-обоснованные подходы к разрешению противоречий между потребностью и существующим уровнем развития науки. Возникла насущная необходимость расширения научных знаний и новых методик изучения биомеханизма устойчивости в различных областях деятельности человека: труде, спорте, искусстве, космонавтике, робототехнике, педагогике физического воспитания подрастающего поколения.

Об активной позиции автора к проблеме биомеханики вертикальной устойчивости свидетельствуют его публикации с 1982 по 2007 годы по вопросам биомеханики, метрологии и эргономики двигательной деятельности человека.

Научную и изобретательскую деятельность автора раскрывают полученные авторское свидетельство, патенты и рацпредложения непосредственно по способу оценки качества устойчивости человека на малоподвижной опоре и конструкции стабилометрических комплексов.

Данная работа посвящена разрешению вышеуказанных противоречий, в ней ставится научная задача, связанная с получением новых знаний в области биомеханики устойчивости тела человека, на базе которых проводится научное обоснование разработанного комплекса средств оценки качества устойчивости в различных видах деятельности и физических упражнениях.

Работа выполнена в рамках тем НИР Росспорта по направлению 02.02.00.

Объект исследования – вертикальная устойчивость тела человека в физических упражнениях.

Предмет исследования – биомеханика сохранения вертикальной устойчивости тела человека в разных позах и в условиях малых колебаний опорной поверхности (до 2-х градусов).

Гипотеза. Предполагается, что для получения новых научных данных по проблеме биомеханики вертикальной устойчивости тела человека и по вопросам методики физического воспитания и спорта необходимо предварительное решение некоторых научных задач:

• важно определить характер процесса удержания равновесия и значимость суставной жесткости опорно-двигательного аппарата (ОДА) в сохранении вертикальной устойчивости тела;
• нужна разработка и создание инструментальной методики, позволяющей построить биомеханическую модель для изучения работы голеностопного сустава;
• при условии получения критерия оценки качества устойчивости и нормированного показателя ее, которые необходимы для выбора параметров подвижности измерительной системы.

Возможно, что разработанные теоретические положения и созданное техническое средство окажутся применимыми в педагогическом эксперименте, в результате чего подтвердится правомерность использования суставной жесткости и количественного показателя устойчивости для оценки качества регуляции вертикальной стойки, а тренажерно-анализаторное устройство «Тариус» будет эффективным средством контроля и оценки устойчивости в решении различных задач спорта.

Теоретической основой исследования явились:

• концепция о многоуровневом управлении вертикальной позой человеком (Н.А. Бернштейн, 1991; В.С. Гурфинкель, Я.М. Коц, М.Л. Шик, 1965; В.Б. Коренберг, 1987);
• идеи и научные подходы к биомеханизму устойчивости человека в спорте (Д.Д. Донской, В.М. Зациорский, 1979; Е.А. Лукунина, А.А. Шалманов, 2000; Г.Ц. Агаян, 1967);
• концепция о качественном анализе упражнений (В.Б. Коренберг, 1979);
• «теория искусственной управляющей среды» (И.П. Ратов, 1995; Ю.Т. Черкесов, 1999; H. Hatze, 1976);
• эргономический подход к двигательной деятельности (В.М. Мунипов, 1983; А.С. Аруин, В.М. Зациорский, 1989; Г.П. Иванова, 2005).

Целью исследования явилось получение новых научных данных по вопросу вертикальной устойчивости тела человека, необходимых для разработки биомеханической методики контроля и оценки качества устойчивости тела в физических упражнениях, которую можно использовать при решении как теоретических, так и практических задач спорта.

Задачи исследования

1. На основе анализа существующих теорий сохранения вертикальной устойчивости тела и механо-математического моделирования изучить особенности процесса удержания равновесия как квазистатического колебательного типа и определить его количественные показатели.
2. Обосновать и разработать способ определения количественных показателей качества вертикальной устойчивости и создать биомеханическую методику оценки равновесия с использованием технических средств.
3. Разработать педагогическую методику оценки качества вертикальной устойчивости человека и доказать эффективность применения ее при выполнении двигательных действий.

Методы исследования, используемые для решения поставленных задач:

• теоретическое обобщение литературных материалов;
• стабилометрия;
• тензодинамометрия;
• электромиография (ЭМГ);
• хронометрия;
• измерение электрокожного сопротивления (ЭКС);
• измерение критической частоты слияния мельканий (КЧСМ);
• для математических расчетов и составления регрессионных уравнений применялся пакет программ MathCAD;
• для рассмотрения вопросов моделирования использовался пакет прикладных программ MATLAB с расширением последнего – Simulink;
• методы математической статистики, статистическая обработка данных проводилась с использованием стандартного пакета программ statgraphics;
• педагогические методы:

а) беседа или интервью с участниками экспериментов;

б) экспертная оценка выступлений спортсменов;

в) педагогический эксперимент.

Организация исследований. Исследование проводилось на базе лаборатории спортивной электроники кафедры биомеханики СПбГУФК им. П.Ф. Лесгафта совместно с ВНИИТЭ (Москва) и Спорткомитетом страны. В биомеханическом и педагогическом экспериментах приняли участие члены сборных команд страны и квалифицированные спортсмены по гимнастике, фигурному катанию, теннису, прыжкам в воду, синхронному плаванию в общем количестве 176 человек. В экспериментах принимали участие студенты и юные гимнасты, дети (детский клуб СПб) и пациенты поликлиники №30 (СПб) – участники проф-обследования, всего участвовало 246 человек, и было проведено 53 обследования в период с 1982 по 2007 годы.

Биомеханическая методика оценки качества вертикальной устойчивости. Исследование было проведено на разработанной и запатентованной специальной аппаратуре, включающей комплекс устройств «Тариус» (тренажер-анализатор равновесия и устойчивого состояния), состоящий из неподвижной и малоподвижной измерительных платформ. Адаптирование параметров разработанных устройств для изучения биомеханизма вертикальной устойчивости проводилось в биомеханическом эксперименте. Использовалась малоподвижная платформа с фиксированными значениями углов колебаний в диапазоне 0,271,73, благодаря набору сменных центральных шаровых опор различного диаметра. Жесткость вращения подвижной верхней пластины платформы регулировалась линейной упругостью стягивающих витых пружин С в диапазоне 1000 4000 Н/м.

Биомеханическое исследование, включающее три группы экспериментов, предваряло создание аппаратуры для педагогического эксперимента и было направлено на разработку требований к механическим параметрам малоподвижной платформы тренажерно-анализаторного комплекса, что позволило:

• найти оптимальную для среднестатистического взрослого человека комбинацию жесткости и подвижности измерительной платформы, соответствующую вращательной жесткости опорно-двигательного аппарата С = 180 Нм/рад, способствующую эффективному управлению позой и комфортному состоянию испытуемого, жесткость поворота платформы может быть реализована при линейной жесткости регулировочных пружин С = 2000 Н/м и угле колебаний подвижной опоры = 0,7;
• обосновать количественный показатель устойчивости через время удерживания равновесного состояния, который нормировался (с целью сравнительного анализа его в индивидуальных экспериментах на разных платформах) и обозначался – У.

Педагогический эксперимент проводился с целью апробации полученных теоретических закономерностей и проверки применимости разработанных технических средств при решении следующих спортивно-педагогических задач:

• определение эффективности использования количественной оценки качества вертикальной устойчивости при сравнении разных методик работы с гимнастами: традиционной и с применением комплекса «Тариус»;
• поднятие результативности учебно-тренировочного процесса путем использования разработанного технического средства объективного контроля и самоконтроля за качеством выполнения элементов устойчивости при обучении юных гимнастов;
• контроль уровня адаптации механизма вертикальной устойчивости квалифицированных фигуристов к динамическим нагрузкам разного типа;
• прогнозирование результатов выступления спортсменов синхронного плавания по показателю их устойчивости;
• развитие качества устойчивости у детей;
• контроль профпригодности человека.

Научная новизна

1. Впервые предложено оценивать качество устойчивости и развивать его тренировкой на малоподвижной платформе с оптимальными механическими параметрами, адекватными жесткости опорно-двигательного аппарата человека.
2. Предложен новый способ изучения механизма устойчивости, основанный на определении вращательной жесткости голеностопного сустава.
3. Впервые предложен способ оценки качества равновесия по эмпирическому показателю устойчивости – У.
4. Экспериментально доказана связь показателя устойчивости человека с оптимизацией, а не минимизацией амплитудных характеристик равновесия и построена нормированная шкала оценок качества устойчивости.
5. Впервые показана приоритетность использования малоподвижной платформы в обучении и тренировке вертикальной устойчивости спортсменов, что подтверждено регрессионными зависимостями соревновательного результата и показателя устойчивости.

Теоретическая значимость проведенного исследования состоит в получении новых данных по теории биомеханики вертикальной устойчивости:

• основная биомеханическая характеристика управления устойчивостью вертикального положения – вращательная суставная жесткость голеностопного сустава, обоснованная и рассчитанная методом механо-математического моделирования и равная в среднем 180 Нм/рад;
• представление о механизме сохранения вертикальной позы – квазистатического колебательного процесса, качество которого определяется не минимизацией амплитудных характеристик колебаний, а оптимизацией динамических параметров движения;
• отличие биомеханизма сохранения ортоградной стойки от механизма вестибулярного равновесия, которое заключается в различии зон функционирования этих механизмов и принципиально противоположных требованиях к сенсорным системам;
• результаты исследования вертикальной устойчивости человека дополняют разделы курсов биомеханики и теории физического воспитания и спорта;
• научное обоснование способа и разработка комплекса технических средств расширяют возможности эргономического и метрологического подходов к контролю и оценке устойчивости спортсменов и людей других профессий, где требуется высокое чувство равновесия.

Практическая значимость

1. Даны рекомендации по количественной оценке качества вертикальной устойчивости тела человека, что важно для диагностики, обучения и совершенствования механизма равновесия.
2. Разработанный комплекс «Тариус» применен для контроля устойчивости в ряде видов двигательной деятельности человека:

• для оценки и развития механизма вертикального равновесия детей-дошкольников, занимающихся фигурным катанием, гимнастикой и теннисом, больных с дефектами в развитии двигательного аппарата;
• для спортсменов любой квалификации и вида деятельности, работающих над совершенствованием сенсомоторной системы;
• для оценки координационной готовности к экстремальной профессиональной деятельности: водителей транспорта, операторов на атомных станциях, авиадиспетчеров, высотников, спортсменов в прыжковых и игровых видах спорта, акробатике и тому подобных.

3. Результаты исследования внедрены (подтверждено актами внедрения):

• в учебный процесс (курсы биомеханики, спортивной метрологии);
• в практику массового спорта (ЛОС ДСО «Динамо», ЦС «Динамо»);
• в сборные команды страны по синхронному плаванию и прыжкам в воду.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Положение о характере процесса удержания позы, который является квазистатическим колебательного типа и должен изучаться как динамический на малоподвижной опоре. В этом случае качество устойчивости зависит от минимизации скорости отклонения тела от вертикали, а не минимизации амплитуды колебаний, что ограничивает естественную, оптимальную для каждого человека, колебательность.
2. Представление о суставной жесткости и возможности изучения ее на биомеханической модели малоподвижной опоры как механического аналога подвижности голеностопного сустава, жесткость которого нелинейна и экспериментально определена в виде зависимости времени условного равновесия (t) и восстанавливающего момента (МВ) измерительной платформы:

t = 6,1ln(eMB).

3. Сущность требований к аппаратурному комплексу контроля и оценки устойчивости человека, позволяющему:

• достоверно измерять характеристики колебательности тела;
• объективно оценивать качество вертикальной устойчивости;
• соответствовать требованиям комфортного состояния при управлении позой путем подбора оптимальных параметров платформы;

4. Показатель устойчивости, пропорциональный времени условного равновесия, нормированный в зависимости от индивидуальных особенностей человека и характеристик платформы, отражающий:

• качество вертикальной устойчивости человека в различных условиях;
• воздействие тренировочного процесса на устойчивость;
• степень функционального напряжения;
• готовности спортсмена к соревнованию;

5. Результаты педэксперимента, доказывающие пригодность использования комплекса «Тариус» как эффективного средства контроля и оценки качества вертикальной устойчивости и способа развития ее у детей и взрослых, у спортсменов различных видов спорта и уровня мастерства.

Достоверность результатов исследования подтверждена патентной экспертизой и метрологическим контролем использованной для экспериментов аппаратуры, а также объемом проведенных экспериментов и их проверкой на статистическую значимость результатов.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов и приложения, в списке литературы содержится 147 источников.

Диссертация изложена на 212 страницах компьютерной верстки, включает 46 таблиц и 47 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ