Биомеханические особенности устойчивости тела человека в педагогических задачах спорта тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.08 ВАК РФ

На правах рукописи

БИЛЕНКО АЛЕКСАНДР ГРИГОРЬЕВИЧ

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ УСТОЙЧИВОСТИ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА В ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧАХ СПОРТА

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

111111111111»

□03 161306

Нальчик-2007

Работа выполнена в Санкт Петербургском государственном университете им. П,Ф Лесгафта и Кабардино-Балкарском государственном университете им X М Бербекова

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Иванова Галина Павловна

Официальные оппоненты: доктор педагогических наук, профессор

Сляднева Любовь Николаевна

кандидат педагогических наук, доцент Свечкарев Виталий Геннадьевич

Ведущая организация: Российский государственный университет физической культуры, спорта и туризма

Защита диссертации состоится « 10 » ноября 2007 г в И час, на заседании диссертационного совета К 212 076 01 при Кабардино-Балкарском государственном университете им ХМ Бербекова по адресу. 360004 г Нальчик, ул Чернышевского, 173

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета

Автореферат диссертации разослан « 09 » октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, »

кандидат педагогических наук, доцент A.A. Кожемов

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, В Б Коренберг, 2005, ИП Ратов, 1995, В К Бальсевич, 2000, ЮТ Черкесов, 1990-2005, И Б Козловская, 2007)

Разработка новых технологий по проблеме устойчивости человека осложняется отсутствием единого научного представления о биомеханизме построения вертикальной позы Несмотря на то, что устойчивость - один из самых древних и основополагающих механизмов в системах организма человека, до сих пор нет единого биомеханического критерия качества устойчивости (Д.Д Донской, ВМ Зациорский, 1979, ВС Гурфинкель, 1965, Е.А Jly-кунина, А А. Шалманов, 2000)

Наибольшее число статей по вопросу 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

Проводимое исследование вызвано острой необходимостью получения знаний о вертикальной устойчивости живой системы и сложностью его изучения без новой научной концепции и соответствующей аппаратуры

Актуальность исследования в том, что до настоящего времени не определена роль вращательной суставной жесткости опорно-двигательного аппарата (ОДА) человека (И М Козлов, 1984, Г П Иванова, 1991), а это 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 основное условие определе-

¡ (

ния этого параметра ч '

Возникла необходимость поиска биомеханических закономерностей формирования и развития механизма устойчивости человека в различных ситуациях 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 положением 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

Активную позицию «штора к проблеме биомеханики вертикальной устойчивости доказывают его публикации с 1982 по 2007 годы по вопросам биомеханики, метрологии и эргономики двигательной деятельности человека Научную и изобретательскую деятельность автора раскрывают полученные патенты и рацпредложения непосредственно по способу оценки качества устойчивости человека на малоподвижной опоре и конструкции ста-билографических платформ

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

Работа выполнена в рамках тем НИР Росспорта по направлениям 02 04 00 и 02 01 00

Объект исследования - биомеханические показатели вертикальной устойчивости тела человека

Предмет исследования - особенности биомеханизма сохранения вертикальной устойчивости тела человека в разных позах и при различных условиях выполнения

Гипотеза. Предполагается, что новые научные данные для теории биомеханики вертикальной устойчивости тела человека и практики физического воспитания и спорта могут быть получены при реализации следующих условий

- в случае выявления существенного биомеханического показателя - вращательной жесткости, определяющего качество работы механизма вертикальной устойчивости,

- при непременной проверке в специально организованном эксперименте жесткости разработанных измерительных платформ для выявления зоны оптимальной жесткости, адекватной средней вращательной жесткости голеностопного сустава человека (в пределах 3 Нм/ град),

- при создании измерительного комплекса аппаратуры, позволяющего имитировать естественные условия соревновательной деятельности и обеспечивать эффективность тренировки и достоверность оценки качества устойчивости,

- если разработанный показатель устойчивости окажется достоверно отражающим оценку качества устойчивости человека и сможет быть использован для контроля функционального состояния, степени тренированности и будет коррелировать с результатом выступлений спортсмена

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),

- идеи и научные подходы к биомеханизму устойчивости статического равновесия (В С Гурфинкель, Я М Коц, МЛ Шик, 1965, ДД Донской, ВМ Зациорский, 1979, Е А Лукунина,АА Шалманов, 2000),

- «теория искусственной управляющей среды» (И П Ратов, 1995, Ю Т Черкесов, 1999, Н Найе, 1976),

- эргономический подход к двигательной деятельности (В М Мунипов, 1983, А С Аруин, В М Зациорский, 1989, Г П Иванова, 2005)

Целью исследования явилось решение важнейшей научной задачи, как главного критериального признака работы, заключающегося в теоретическом изучении и научном обосновании биомеханики вертикальной устойчивости тела человека, и на этой основе разработке комплекса аппаратуры для оценки устойчивости тела, а также тренировки в процессе педагогической и спортивной деятельности

Задачи исследования:

3 На основе анализа существующих теорий сохранения вертикальной устойчивости тела и механо-математического моделирования определить значимость вращательной суставной жесткости в механизме вертикальной устойчивости тела

2 Обосновать и разработать способ исследования вертикальной устойчивости (квазистатического процесса колебательного типа) и определить количественный показатель качества устойчивости посредством созданного аппаратурного комплекса, позволяющего изучать биомеханизм равновесия

3 Найти и доказать эффективность авторской методики оценки качества вертикальной устойчивости на основе разработанного способа и применения комплекса аппаратуры в условиях педагогического эксперимента

Методы исследования, используемые для решения поставленных

задач

- теоретическое обобщение литературных материалов,

- механо-математическое моделирование,

- стабилометрия,

- тензодинамометрия,

- электромиография (ЭМГ),

- хронометрия,

- измерение электрокожного сопротивления (ЭКС),

- измерение критической частоты слияния мельканий (КЧСМ),

- для магематических расчетов и составления регрессионных уравнений применялся пакет программ МаШСАБ,

- для рассмотрения вопросов моделирования использовался пакет МАТЬАВ с расширение последнего БтшЬпк,

- методы математической статистики Статистическая обработка данных проводилась с использованием стандартного пакета программ БТАТСКАРШСБ,

- педагогические методы.

а) беседа и опрос участников экспериментов,

б) экспертная оценка выступлений спортсменов,

в) педагогический эксперимент

Организация исследований Исследование проводилось на базе лаборатории спортивной электроники кафедры биомеханики СПбГУФК им II Ф Лесгафта совместно с ВНИИТЭ (Москва) и Спорткомитетом страны В педагогическом эксперименте приняли участие спортсмены сборных команд страны и квалифицированные спортсмены по гимнастике, фигурному катанию, теннису, прыжкам в воду, синхронному плаванию в общем количестве 176 человек Студенты и юные гимнасты, дети (детский клуб СПб) и пациенты поликлиники №30 (СПб) - участники профобследования принимали участие в поисковом и педагогическом эксперименте Всего было 254 человека и проведено 2140 обследований в период с 1982 по 2007 год

Для исследований была обоснована и разработана специальная аппаратура, включающая комплекс устройств «ТАРИУС» (тренажер-анализатор равновесия и устойчивого состояния), состоящий из неподвижной и малоподвижной измерительных платформ Адаптирование параметров разработанных устройств для изучения биомеханизма устойчивости и тренировки качества равновесия человека проводилось в предварительном поисковом эксперименте Использовалась малоподвижная платформа с фиксированными предельными углами колебаний <р в диапазоне 0,27°-1,73°, благодаря центральным шаровым опорам разного диаметра Жесткость вращения подвижной верхней пластины платформы регулировалась упругостью С стягивающих витых пружин в диапазоне 1-4 Н/мм

Поисковое исследование, состоящее из 3-х групп экспериментов, предваряло создание аппаратуры для педагогического эксперимента и было направлено на разработку требований к параметрам малоподвижной платформы тренажерно-анализаторного комплекса, что позволило

- найти оптимальную комбинацию жесткости и подвижности измерительной платформы, соответствующую вращательной жесткости опорно-двигательного аппарата Сш = 3 Нм/град, способствующую эффективному управлению позой и комфортному состоянию испытуемого, которая может быть реализована при линейной жесткости стягивающих пружин С = 2 Н/мм и угле колебаний подвижной опоры (р = 0,7°

- далее был обоснован количественный показатель устойчивости - У и экспериментально проверен с помощью созданной аппаратуры на достоверность и пригодность использования его в педагогическом эксперименте

Собственно педагогический эксперимент был направлен на обоснование и проверку полученных теоретических закономерностей и применимости разработанных технических средств для решения педагогических задач спорта

- для определения эффективности авторской методики оценки качества вертикальной устойчивости посредством разработанного способа с применением комплекса аппаратуры «ТАРИУС»,

- с целью поднятия эффективности тренировки при использовании разработанного тренажерно-анализаторного комплекса «ТАРИУС»,

- при обучении юных гимнастов технике приземления в сложных гимнастических прыжках,

- для совершенствования механизма вертикальной устойчивости квалифицированных фигуристов,

- в случае прогнозирования результатов выступления прыгунов в воду по их показателю устойчивости - У,

- при развитии качества устойчивости у детей,

- при диагностике профпригодности

Научная новизна

1 Впервые предложено оценивать качество устойчивости и развивать его тренировкой на малоподвижной платформе с оптимальными параметрами, адекватными жесткости опорно-двигательного аппарата человека

2 Предложен новый способ раскрытия механизма устойчивости, основанный на определении вращательной суставной жесткости голеностоп-но1 о сустава

3 Впервые предложен способ оценки качества равновесия по эмпирическому показателю устойчивости - У

4 Экспериментально (с помощью разработанного тензостабилометриче-ского комплекса на базе неподвижной измерительной платформы) доказана связь показателя устойчивости - У 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, получены регрессионные зависимости соревновательного результата и показателя устойчивости

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

- основная характеристика качества сохранения устойчивости вертикального положения - вращательная суставная жесткость голеностопного сустава, обоснованная и рассчитанная методом механо-математического моделирования и равная в среднем 3 Нм/град,

- биомеханизм сохранения вертикальной позы -- квазистатический колебательного типа, 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 функцио-

нирования этих механизмов и принципиально противоположных требований к сенсорным системам,

- результаты исследования биомеханизма устойчивости человека пополняют курсы биомеханики и теории физического воспитания и спорта,

- обоснование и разработка комплекса технических средств дают предпосылки для создания новых средств оценки и тренировки 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 тренажерно-анализаторный комплекс «ТАРИУС» применен для тренировки устойчивости в ряде видов двигательной деятельности человека

- для оценки и развития механизма вертикального равновесия детей-дошкольников, занимающихся фигурным катанием, гимнастикой и балетной подготовкой, больных с дефектами в развитии двигательного аппарата,

- для спортсменов любой квалификации, работающих над совершенствованием сенсомогорной 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» по теннису),

- в сборные команды страны по синхронному плаванию и прыжкам в воду

Основные положения, выносимые на защиту

1 Развитие теории вертикальной устойчивости тела человека должно базироваться на положении о том, что процесс удержания позы является квазистатическим колебательного типа и должен изучаться как динамический на малоподвижной опоре В этом случае качество устойчивости должно зависеть от вращательной жесткости, влияющей на скорость отклонения тела, а не от амплитудных характеристик девиаций, которые, чаще всего, минимизируются, что не отличается корректностью (Г Ц Агаян, 1967)

2 Процесс сохранения равновесия должен быть колебательным с оптимальной амплитудой, соответствующей проприоцептивной чувствительности опорно-двигательного аппарата Кривую "стимул-реакция" для рецепторов голеностопного сустава, следует находить экспериментально, посредством измерения времени равновесного состояния тела, как функцию величины восстанавливающего момента силы Зависимость будет подчиняться логарифмической закону — 1 = 6,11п (еМв).

3 Теоретическими обоснованиями к сущности требований по аппаратурному комплексу должны являться следующие

- возможность достоверно измерять характеристики колебательности тела,

- объективно оценивать качество вертикальной устойчивости,

- создавать условия комфортного состояния при работе на малоподвижной опоре,

- адаптировать аппаратурные средства под условия окружающей среды, индивидуальные особенности человека и соревновательную деятельность

4 Показатель устойчивости - У следует понимать как нормированную величину, приведенную к общему времени анализа независимо от индивидуальных особенностей человека и характеристик платформы, и считать коррелятой

- качества вертикальной устойчивости человека в различных условиях, связанных с параметрами опоры,

- уровня тренированности,

- величины физического и эмоционального утомления,

- степени функциональной напряженности состояния,

- судейской оценки за спортивное выступление,

- уровня координационной или оперативной готовности к работе

5 Тренажерно-анализаторный комплекс «ТАРИУС» следует считать эффективным педагогическим средством контроля качества вертикальной устойчивости и развития его у детей и взрослых, спортсменов различных видов спорта и уровня мастерства Это доказано в экспериментах с участием спортсменов из состава сборных команд страны по прыжкам в воду, синхронному плаванию, теннису, гимнастике с целью контроля и развития качества устойчивости у квалифицированных спортсменов и детей в процессе обучения и тренировки

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 146 источников

Диссертация изложена на 196 страницах компьютерной верстки, включает 43 таблицы и 28 рисунков

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I, в которой дается представление специалистов разных научных направлений о понятии вертикальной устойчивости, как способности предотвращать падение под действием сил тяжести ичи других механических воздействий Тело человека многозвенно, с наличием управляемых нелинейных связей, что существенно усложняет процесс удерживания равновесия биологической системой В удержании равновесия ведущая роль отдается двигательному анализатору, формирующему команды управления на

основе проприоцептивных сигналов о взаимоположении звеньев тела и взаимодействии стоп с опорой (В С Гурфинкель, 1985, Ю С Левик, 2007) При малых возмущающих воздействиях и, как следствие, отклонениях вертикальной оси тела до 2° работает периферический механизм управления, отличающийся от центрального большой чувствительностью и быстродействием (В.С Гурфинкель, МЛ Шик, 1982) Двигательный анализатор признается основным в регуляции позы человека анализаторы зрения, слуха и вестибулярной устойчивости - безусловные участники сохранения орто-градной позы, но при малых углах отклонений они даже создают помеху регуляции своим вмешательством, ибо их реакция на механическое возмущение продолжительнее на 100-150 мс, чем от механорецепции (L М Naslmer, J F Peters, 1990) Один из ведущих исполнительных механизмов сохранения квазистатического равновесия (по нашей терминологии) - короткодиапа-зонная жесткость (short range stiffness), которая возникает при растяжениях мышцы до 1% исходной длины, когда сила растет линейно деформации и не зависит от скорости ее изменения Короткодиапазонная жесткость имеет большое значение, так как именно она определяет поведение мышц при малых изменениях длины (В Walmsley, U Proske, 1981, ВС Гурфинкель, Ю С Левик, 1985) В условиях поддержания позы короткодиапазонная жесткость может обеспечивать стабилизацию взаимного положения звеньев тела при малых возмущениях без дополнительного вмешательства со стороны нервной системы (В С Гурфинкель, М.И Липшиц, К.Е Попов, 1974)

Существует, по мнению А В Александрова (2002), две стратегии управления движением одна - для основного движения, а вторая - для стабилизации позы К основным движениям относятся те, которые программируются центральными командами, включая и вестибулярный анализатор Регуляция позы осуществляется в основном на периферическом уровне и зависит от вязкоупругих свойств мышц, температуры и механических характеристик опоры

Попытку моделирования устойчивости многозвенной системы тела человека предпринимали многие исследователи, но для нашей задачи, мы предполагаем, что лучше остановиться на простейшей однозвенной модели перевернутого маятника А В Александров (2002) в этой модели выделяет голеностопный сустав, который обуславливает 98% сонастройки, а система управления при малых углах отклонения тела в этом случае может быть названа "голеностопной стратегией" (Д В Скворцов, 2000)

Собственная статическая устойчивость тела человека, учитывая высоту расположения ОЦТ и площадь опоры, ничтожна Статическая система удерживания вертикального равновесия заведомо неустойчива, поэтому процесс регуляции позы является динамическим, основными критериями устойчивости которого должны быть характеристики устойчивости движения Запас устойчивости определяется скоростью отклонения от траектории движения, а потому важнейшая информация для регуляции позы возникает от механорецепторов, реагирующих на изменение длин или углов, то есть на скоростные характеристики В нашем случае процесс удержания равновесия, по мнению В В Кузнецова (1986), является автоколебательным с большим количеством взаимно компенсаторных действий

Способы измерения устойчивости за последние годы усовершенствовались от кефалографии до стабилографических компьютерных комплексов Однако существующие способы оценки качества устойчивости по стабилометри-ческим данным имеют, с нашей точки зрения, принципиальные недостатки

1 Процесс регуляции позы квазистатический колебательного типа, для которого необходима оптимизация показателей, а не их минимизация

2 В принятой ранее модели перевернутого маятника истинным исполнительным механизмом регуляции позы является вращательная жесткость шарнира, а для биологической системы - жесткость голеностопного сустава, которую контролирует и управляет живая система, но никак не оценивает существующая аппаратура Поэтому стабилограмму, с точки

зрения живой системы, следует трактовать как кривую мгновенного значения вращательной суставной ОДА

3 Недостаток в том, что биологическая система практически не контролирует неподвижное положение, а оценивает степень "потери" равновесного состояния (П О Макаров, 1968), притом, чем больше величина этих отклонений, тем активнее реагируют анализаторы Живая система в условиях неподвижной опоры при установке "стоять предельно ровно" начинает минимизировать колебания ОЦТ, что естественно приводит к уменьшению афферентации равновесия, а отсюда - к отсутствию стабилизирующих пространственное положение действий, поиску и подключению несвойственных этому движению анализаторов и механизмов удерживания равновесия. "Жизненная динамика только и возможна, если есть налицо неуравновешенный остаток" (Н А Бернштейн, 1968)

4 По мнению В Г Стрельца и его последователей, для изучения и тренировки равновесия человека необходимо создать измерительные системы на базе малоустойчивой опоры, приближая человека к реальным жизненным ситуациями Так В Г Стрельцом (1972) был разработан прибор «педограф» (рацпредложение №112295) Возникла идея изучать и тренировать устойчивость, как квазистатическое равновесие колебательного типа, на малоподвижной платформе

В главе II формулируется гипотеза работы, излагаются цели, задачи и организация исследования

Глава III посвящена разработке методики экспериментальных исследований вертикальной устойчивости человека Реализация способа исследования устойчивости на малоподвижной опоре связана с созданием подвижного устройства, адекватного по механическим параметрам естественным колебаниям тела в голеностопном суставе Этот биомеханизм был смоделирован в виде подвижной платформы с нелинейными блоками жесткости (3) - экспоненциальной характеристикой, которые стягивают верхнюю(1) и нижнюк>(2) пластины платформы (рис 1) (патент 59955 РФ)

Рис 1 Конструкции блока нелинейной жесткости и малоподвижной измерительной платформы

В предлагаемом способе вертикальную устойчивость тела определяют через вращательную суставную жесткость, которую можно получить по равенству импедансов ОДА и измерительной системы Для получения более гибкой системы изучения биомеханизмов устойчивости была разработана модифицированная конструкция малоподвижной платформы с фиксированными значениями вращательной жесткости и углов наклона верхней пластины (рис 2), на базе которой создан ряд игровых тренажеров равновесия

РЁпуянровочнля

и^хния lyiAGiiiHA ШАРОВАЯ ОЕОГЛ ПРУЖИНА

Рис, 2. Внешний вид и конструкция Гренажерно#н8ЙЙзаторкого устройств;! ^Тариуе» на ощр модифицированной малоподвижной платформу

С целью проведения сравнительного анализа традиционных показателей качества регуляции позы и разработанного нами показателя устойчивости - У и, учитывая недостатки существующих стабилографических платформ, пришлось разработать новую конструкцию неподвижной стабилодинамометриче-ской площадки с центральной шаровой опорой, которая функционировала одновременно как стабило, так и тензоустройство. Разработанная площадка (патент 2270603 РФ) позволила записывать, как годографы, так и реакции опоры по двум осям (рис.3) Запатентованная конструкция измерительной платформы с центральной опорой дала большие преимущества по сравнению с ранее существующими и позволила изучать равновесие не только в статических положениях, но и при выполнении различных движений на месте, например, наклонах корпуса, головы, приседаниях.

Все известные измеряемые параметры равновесия характеризуют мгновенные значения количественных показателей устойчивости, что приводит к стремлению уменьшить амплитудные характеристики колебаний тела, а это противоречит принципам устойчивости динамических систем регулирования, а с биологической точки зрения к желание минимизировать раскачивание приводит к нарушению естественных навыков регуляции позы. Поэтому был разработан комплекс измерительных устройств «ТАРИУС», в которых интегральным количественным показателем устойчивости выбрано, так называемое, время условно устойчивого равновесия На рисунке 4 показан рабочий момент тренировки гимнастов на предложенном тренажерно-анализаторном устройстве.

В главе IV изложены результаты поискового эксперимента, в процессе которого были апробированы все возможные комбинации механических параметров платформы Диапазон изменений углов а в пределах 0,27°-1,73°, соответствовал изменению длины мышцы, диапазон изменения жесткости стягивающих пружин С в пределах 1-4 Н/мм моделировал изменение вращательной жесткости в суставе Данный способ справедлив только для углов наклона до 2°, когда возмущающее воздействие находится в пределах до 5 Нм

Рис. 4, Рабочий момент тренировки с использованием тренпжерно-а над и затор но го устройства «ТАРИУС»

В итоге была установлена зависимость между восстанавливающим моментом платформы (Мв) и реакцией на этот момент живой системы -временем условного равновесия (I) (табл. !).

Таблица 1

Зависимость времени условного равновесия 0) и восстанавливающего момента (М») измерительной платформы

Мв (Нм) 0.42 0,84 из 1,68 1,7! 2,26 2,68 3,42 4,52 5,36 6,84 10,72

КО | СО Эри г кйпрг^нтл! 2.7 2, Я 8,4 3,9 11,! 10,4 14,6 13,8 16,0 22,2 21,2 19,2 28.0 26,9

без зрит КОШрОЛЯ 2,5 2.1 7.5 3,1 10,5 10,1 14,6 15,1 14,3 .21.7 __\1___

По мере увеличения восстанавливающего момента (Мв), вызванного ростом вращательной жесткости платформы, скорость прироста времени падает (I) Эта зависимость нелинейная и хорошо описывается регрессионной зависимостью (рис 5)

г = 6,Пп (еМв),

где 1п - логарифмическая функция с основанием "е" (е = 2.73)

Мв (Нм)

Рис 5 Зависимость величины времени равновесия (1) от восстанавливающего момента платформы (Мв)

Экспериментально были определены оптимальные, с точки зрения времени условного равновесия, механические параметры платформы С = 2 Н/мм и а = 0,27° Для проведения сравнительного анализа необходимо иметь количественный критерий, позволяющий сопоставлять результаты тестирования испытуемых с различным весом тела (Р) на платформах с различной вращательной жесткостью (Сш) и переменными углами наклона верхней

пластины (а), не зависимо от общего времени анализа (Т) Такой универсальный эмпирический параметр устойчивости - У, приведенный к одной секунде времени анализа, был найден и определен следующим образом-

_ 0,0Ш ~ а(С + 2)Т'

где У - параметр устойчивости (безразмерная величина), I - время равновесного состояния (с), Р - вес испытуемого (кг), а - угол наклона верхней пластины (град), С - линейная жесткость регулировочных пружин (Н/мм); Т - время анализа (с) Показатель устойчивости — У соответствует решению целевой задачи и может быть использован как нормированный критерий вертикальной устойчивости тела

Степень комфортности состояния человека при работе на устройстве было выявлена посредством беседы и опроса, результаты которых сопоставлялись с показателем устойчивости У, параметрами стабилограммы и элек-тромиограммы Наиболее значимыми испытуемые признали угол колебаний площадки, жесткость поворота платформы, наличие контроля по светоцве-товому индикатору

Целью одного из поисковых экспериментов было исследование электрической активности мышц в ответ на стимул, создаваемый площадкой при разных ее механических параметрах Анализ ЭМГ свидетельствует о появлении наибольшей интегральной электрической активности мышц голеностопного сустава при регулировании позы с оптимальными механическими параметрами платформы

Глава V посвящена результатам собственно педагогического эксперимента, цель которого сводилась к проверке эффективности авторской методики исследования устойчивости с реализацией разработанного тре-нажерно-анализаторного комплекса «ТАРИУС» В эксперименте были решены несколько задач

- тренировка качества устойчивости квалифицированных гимнастов в специальных позах,

- развитие качества устойчивости у детей 5-7 лет, занимающихся гимнастической подготовкой,

- контроль качества устойчивости у квалифицированных фигуристов при действии сбивающего фактора в виде физической нагрузки,

- оценка результативности выступлений и функционального состояния спортсмена по показателю устойчивости тела на малоподвижной опоре (на примере синхронного плавания и прыжков в воду)

В педагогическом эксперименте приняло участие 226 человек различного пола и возраста и разной спортивной квалификации Проведено 71 обследование, включающее 2050 измерений, направленные на установление пригодности разработанного комплекса аппаратуры и способа оценки устойчивости для решения педагогических и спортивных задач

Положительные результаты педагогического эксперимента были внедрены в тренировочный процесс сборных команд и опубликованы в виде научных статей и методических пособий

ВЫВОДЫ

1 В теории и практике биомеханики

- не введено понятие вертикальной устойчивости как квазистатического равновесия колебательного типа с углом колебаний до 2°

- не используется понятие вращательной суставной жесткости как основного показателя регуляции позы, что не позволяет достоверно оценивать качество устойчивости, эффективно совершенствовать функцию равновесия и разрабатывать адекватные средства тренировки

- основным показателем динамики колебаний принята вращательная жесткость голеностопного сустава, равная 3 Нм/град, полученная механо-математическим моделированием на базе имеющихся данных о линейной жесткости мышц, окружающих голеностопный сустав

2 Экспериментально получена связь между временем условного равновесия и величиной восстанавливающего момента сил упругости платформы, которая апроксимируется логарифмической зависимостью

г = 6 11п(еМв)

3 Разработана установка и определен усредненный диапазон изменений механических параметров малоподвижной измерительной платформы для наибольшей комфортности управления и максимальной эффективности контроля, который для угловой вращательной жесткости - Сш равен 1,6-6,2 Нм/град, что соответствует адекватным характеристикам модифицированной платформы, линейной жесткости стягивающих пружин (С) - в диапазоне 1-4 Н/мм и углу наклона (<р) — 0,23°-1,73°

4 Аппаратурный комплекс, индивидуально адаптированный, позволяет находить время условно равновесного состояния и на основе этого определять коэффициент устойчивости - У

у=_ 0,0 а(С + 2)Т

5 Оптимальные биомеханические показатели устойчивости человека достигнуты при линейной жесткость пружин - С = 2 Н/мм и угле наклона подвижной пластины платформы - <р = 0,7°, что соответствует удлинению мышечных филаментов не более 1% от исходной длины Создана нормированная шкала оценки качества устойчивости (от низкой до самой высокой) для людей с разными антропометрическими данными

6 Тренажерно-анализаторный комплекс «ТАРИУС», включающий малоподвижную платформу, использовался как эффективное средство тренировки

- квалифицированных гимнастов, у которых в течение месяца под влиянием 200 подходов к тренажеру качество устойчивости равновесия в специальных приземлениях после сложных гимнастических соскоков с брусьев, после сальто вперед и двух сальто на гимнастической дорожке изменялись от 41 до 58% Определена более высокая стабильность показателя устойчивости — У, коэффициент вариации которого под влиянием тренировки уменьшился с 27 до 13%,

- юных гимнастов (5-7 лет) ДСШ СПб, работающих по специальной методике с использованием малоподвижных платформ в течение учебного года В экспериментальной группе произошел достоверный прирост времени равновесия (на уровне значимости Р<0,05 и п = 10) с 8,6±1,3 до 25,9±3,1, а в контрольной - с 8,4±0,8 до 8,8±1,1, что свидетельствует о недостоверности прироста показателя устойчивости в группе без применения тренажера

7 Тренажерно-анализаторный комплекс «ТАРИУС», включающий малоподвижную платформу, использовался как объективное средство контроля и оценки степени устойчивости

- контролировалось воздействие специальной динамической и вращательной нагрузки (шаги, вращения, прыжки) на качество устойчивости высококвалифицированных фигуристов в стойке на коньках Установлено, что указанная нагрузка не достоверно отражается на качестве устойчивости позы у мастеров спорта, но в 4 раза снижает вариативность показателя устойчивости в повторных тестированиях после 10-кратных упражнений на тренажере, что говорит о росте надежности технических действий,

- прогнозировалась результативность выступления прыгунов в воду и синхронных пар по показателю устойчивости Найдена зависимость показателя устойчивости, зарегистрированного перед прыжком, и судейской оценкой за качество его выполнения

Созданый тренажерно-анализаторный комплекс «ТАРИУС», примененный в трудовой и спортивной практике, зарекомендовал себя как объективное средство оценки устойчивости и контроля воздействия внешних и внутренних факторов, а также как эффективный тренажер элементов техники движений, связанных с необходимостью высокой устойчивости и результативности деятельности

Малые габариты, простота использования, эффективность применения позволяют рекомендовать разработанную аппаратуру практикам

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1 Авторское свидетельство 1102617 СССР, МКИ А 63, В 69/00 Тренажерное устройство / А Г Биленко, А Ф Бочаров, Г П Иванова, О А Станиславский -№3565566, Опубл 15 03 1984, Приоритет 17 03 1983

2 Иванова, Г П Способы биомеханической оценки состояния напряженное™ IГ П Иванова, АГ Биленко, А Ф Бочаров // Труды ВНИИ! Э серия "Эргономика" / ВНИИТЭ -М, 1986 -Выл 32

3 Биленко, А Г Биомеханическая трактовка, измерение и тренировка устойчивости тела спортсмена / А Г Биленко, Г п Иванова // Материалы Всесоюз науч конф "Проблемы биомеханики в спорте" / Госкомспорт СССР -М , 1987

4 Биленко, А Г К вопросу биомеханики вертикальной стойки / А Г Биленко, Г П Иванова // Материалы респ школы-семинара "Биомеханика и спорт" / Смоленский ИФК -Смоленск, 1988

5 Биленко, А Г Стабилометрический игровой тренажер для массового контроля и управления состоянием человека / А Г Биленко, Г П Иванова, Е В Квитченко // Материалы науч -практ конф "Здоровье и массовая физическая культура" / АМН СССР СО ин-т физиотогии - Новосибирск. 1988

6 Биленко, А Г Стабилографическая методика исследований устойчивости тела человека Метод указания / А Г Биленко, Г П Иванова - Л ГДОИФК им ПФ Лесгафта, 1988 - 20 с

7 Биленко, А Г Биомеханика устойчивости тела спортсмена на подвижной опоре / А Г Биленко, Г П Иванова//Материалы Всесоюз науч конф "Биомеханика спорта" / Госкомспорт СССР - Чернигов, 1989

8 Иванова, Г П Тренажер-анализатор равновесия «Тариус» / Г П Иванова, А Г Биленко // «Теория и практика физ культуры» -1989 -№8 -С 45-46 (в перечне ВАК)

9 Иванова, Г П Электромиографический анализ двигательных действий методический подход, обработка результатов, их биомеханическая интерпретация / Г П Иванова, А Г Биленко, О В Афанасьев // Труды ВНИИТЭ серия "Эргономика" / ВНИИТЭ -М, 1990 -Выл 38 -С 8-22

10 Биленко, А Г Совершенствование устойчивости тела с помощью тренажера-анализатора / А Г Биленко, Г П Иванова // Вопросы физического воспитания студентов Межвузовский сборник/ЛГУ - Л, 1990 Вып XXI -С 88-92

11 Биленко, А Г On a problem of biomechanical stability of a Human Body / A Г Биленко, Г П Иванова // VIII International Symposium of Biomechanics m Sports -Prague, Czechoslovakia, 1990

12 Биленко, А Г Тренировка устойчивости как один из компонентов технической подготовки гимнастов / А Г Биленко, Г П Иванова // Вопросы физического воспитания студентов Межвузовский сборник/ЛГУ -Л, 1992 Вып XXill - С 39-43

13 Биленко, А Г Computerized sports game complex for children / А Г Биленко, Г П Иванова, Е В Смирнов // International Congress on Applied Research in Sports - Helsinki, Finland, 1994

14 Биленко, А Г On a body stability control / А Г Биленко, Г П Иванова // XV-th Congress of the International Society of Biomechanics - Jyvascyla, Finland, 1995

15 Биленко, А Г Комплекс биотехнических систем для исследования биомеханических параметров двигательной активности детей / А Г Биленко, Г П Иванова // Материалы IV Всеросс конф "Биомеханика- 98" Internet (http www/sci-nnov ru/ science/biomech -H Новгород 1-5 июня 1998 -С 262

16 Биленко, А Г Устойчивость равновесия на малоподвижной опоре разной жесткости / А Г Биленко, Г П Иванова // Материалы V-ой Всероссийской конф "Биомеханика - 2000" - H Новгород. 29 мая-2 июня 2000, - С 151

17 Пат 2270603 РФ, МКИ А 61, В 5/103 Платформа для исследования опорных реакций/ А Г Биленко, Г П Иванова - Заявка №2004121230, Опубл 27 02 2006, Приоритет 12 07 2004

18 Пат 59955 РФ на полезную модель Устройство для исследования и тренировки равновесия / А Г Биленко, Г П Иванова Заявка №>2006132796, Опубл 10 012007, Приоритет 12 09 2006

19 Пат РФ, МКИ А 61, В 5/103 Способ исследования устойчивости тела человека и устройство для его осуществления / А Г Биленко, Г П Иванова - Заявка № , Опубл , Приоритет 21 07 2006

20 Биленко, А Г Практикум по спортивной метрологии Учебно-методическое пособие/АГ Биленко, Л П Говорков, Л Л Ципин, СПбГУФК им ПФ Лесгафта -СПб,2006 -118с

Подписано в печать «/%» С/^Щ^МЯ 2007 s Объем 1 п л ' / Тираж 100 экз Зак Ш-Зв^Р? ПИО СПб ГУФК им П Ф Лесгафта 190121, ул Декабристов, 3 5