КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО БИОМЕХАНИКЕ В. № 15 Группа _

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО БИОМЕХАНИКЕ В. № 15
Группа _ИЗДО АФК 11а_ Ф.И.О. _Новикова Ирина Александровна_
Вид спорта _____плавание (брасс)______ Квалификация _________________
Ответьте, пожалуйста, на следующие вопросы:
1. К какому виду двигательной деятельности, согласно классификации, относится Ваш вид
спорта?
а) локомоторные движения (циклические, ациклические)
б) перемещающие движения
в) сохранение и изменение положения тела
г) движения вокруг осей
д) движения на месте
2. Сформулируйте цели и задачи избранного вида двигательной деятельности
Усилиями мышц передвигать тело человека относительно водной среды (используются такие
передвижения как отталкивание и притягивание).
3. Проведите анализ кинематической характеристики в Вашем виде спорта:
а) нарисуйте линейную хронограмму (временную диаграмму движений) для спортсменов
разной квалификации (низкой и высокой) с обозначением фаз, периодов и граничных моментов
б) изобразите промер (схематическое изображение поз в граничных моментах)
в) рассчитайте временные характеристики (длительность фаз, периодов, ритма,
темпа движений) для спортсменов разной квалификации (сформулируйте тенденцию к
изменению этих показателей с ростом квалификации)
Таблица 1
Квалификация Длительность Длительность Длительность Длительность
Δt1 (с)
Δt2 (с)
Δt3 (с)
Δt4 (с)
Низкая
1.1
0.11
0.5
0.6
Высокая
1
0.08
0.4
0,45
Темп
Ритм
Δt1 – фаза …удар ногами
Δt2 – фаза …гребок руками
Δt3 – фаза …сведение рук около груди
Δt4 – фаза …выведение рук и подтягивание ног
4. Проведите анализ динамических характеристик:
а) дайте определение и напишите формулы:
– внешней силы –
это мера взаимодействия между телами. В задачах сопротивления материалов внешние силы
считаются всегда заданными. Внешние нагрузки приводят к напряженно-деформированным
состояниям.
2
Внешние силы - это силы, действующие на тело извне. Под влиянием внешних сил тело или
начинает двигаться, если оно находилось в состоянии покоя, или изменяется скорость его
движения, или направление движения. Внешние силы в большинстве случаев уравновешены
другими силами и их влияние незаметно.
– внутренней силы –
это силы взаимодействия между частями одного тела, возникающие под действием внешних
сил. Внутренние силы являются самоуравновешенными, поэтому они не видны и не влияют на
равновесие тела. Внутренними силами являются силы, действующие между частицами, эти
силы оказывают сопротивление изменению формы.
– силы трения –
Сила трения покоя - сила, действующая на тело стороны соприкасающегося с ним другого тела
поверхности соприкосновения тел, тела покоятся относительно друг друга. сила, возникающая
между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного
движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела
в движение друг относительно друга.
Fтр = µN ,
где Fтр – сила трения
µ - коэффициент трения
N – сила реакции опоры
– силы сопротивления внешней среды –
Сила сопротивления внешней среды — сила, возникающая при движении твёрдого тела в
жидкой или газообразной среде.
В газах, из-за их малой плотности, тело может развить большую скорость, поэтому сила
сопротивления
Fc=-k1v2.
В жидкостях плотность вещества велика, тело не может развить большую скорость, а потому
Fc=-k2v.
коэффициенты пропорциональности k1 и k2 зависят от рода жидкости или газа и их
температуры.
– силы реакции опоры –
Сила реакции опоры — сила упругости, действующая со стороны опоры на тело. Направлена
перпендикулярно к поверхности опоры. это мера противодействия опоры действию на нее тела,
находящегося с ней в контакте (в покое или движении). Она равна силе действия тела на опору,
направлена в противоположную сторону и приложена к этому телу.
N= Fупр = -Fтяж = -mg = -P
3
где Fупр – сила упругости, Fтяж – сила тяжести, P – вес тела, m – масса тела, g - ускорение
– силы инерции фиктивные –
Сила инерции фиктивная - сила, которую можно ввести в неинерциальной системе отсчёта так,
чтобы законы механики в ней совпадали с законами инерциальных систем.
Иногда используют неинерциальную ("ускоряющуюся") систему отсчета, в которой законы
Ньютона не применимы. В этих случаях вводят "ф и к т и в н у ю" силу инерции, что позволяет
в расчетах применить законы Ньютона. Она имеет такую же величину (масса, умноженная на
ускорение) и направлена так же (в сторону, противоположную ускорению неинерциальной
системы), как реальная сила инерции. Но точкой приложения "фиктивной" силы инерции
считается центр инерции самого ускоряемого тела. Фиктивна здесь не сама сила инерции, а
точка ее приложения (центр инерции ядра, мяча, диска вместо рабочей точки тела человека).
Fин = m(-a)
– силы инерции реальные –
Сила инерции внешнего тела (реальная) – это мера действия на тело человека со стороны
внешнего тела, ускоряемого человеком; она равна массе ускоряемого тела, умноженной на его
ускорение:
Векторная величина, равная произведению массы материальной точки на её ускорение и
направленная противоположно ускорению, называется силой инерции. внешние силы инерции
(внешних тел), возникающие, когда изменяется скорость этих тел, и внутренние — при
относительном изменении скорости частей тела.
Величина силы равна произведению массы тела,, имеющего ускорение, и самого ускорения.
Сила инерции направлена противоположно ускорению. Она приложена к тому телу, которое,
вызывает ускорение (так называемая «реальная» сила инерции).
Fин = ma
– силы Архимеда –
Зако́н Архиме́да: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила,
равная весу вытесненной этим телом жидкости (или газа)(называемая силой Архимеда)
FA = ρgV,
где ρ — плотность жидкости (газа), g — ускорение свободного падения, а V — объём
погружённого тела (или часть объёма тела, находящаяся ниже поверхности).
– импульс силы
это векторная физическая величина, равная произведению силы на время её действия, мера
воздействия силы на тело за данный промежуток времени (в поступательном движении).
4
– импульс момента силы –
Во вращательном движении момент силы, действуя в течение определённого времени, создаёт
импульс момента силы. Импульс момента силы — это мера воздействия момента силы
относительно данной оси за данный промежуток времени (во вращательном движении):
– момент инерции –
скалярная физическая величина, мера инертности тела во вращательном движении вокруг оси,
подобно тому, как масса тела является мерой его инертности в поступательном движении.
Характеризуется распределением масс в теле: момент инерции равен сумме произведений
элементарных масс на квадрат их расстояний до базового множества (точки, прямой или
плоскости).
I = m·r2, где r - кратчайшее расстояние от оси вращения до точки.
Единица измерения СИ: кг·м².
,
где:
dm = ρdV — масса малого элемента объёма тела dV,
ρ — плотность,
r — расстояние от элемента dV до оси a.
– момент силы –
векторная физическая величина, равная произведению радиус-вектора, проведенного от оси
вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы. Характеризует вращательное
действие силы на твёрдое тело.
где
— сила, действующая на частицу, а
— радиус-вектор частицы.
б) режимы работы мышц:
– изометрический –
5
характеризуется неизменным расстоянием между точками прикрепления мышцы в процессе
напряжения,
которое
может
быть
различной
величины
относительно
максимальной
произвольной силы (МПС);
Изометрический режим (режим постоянной длины мышцы) характеризуется напряжением
мышцы в условиях, когда она закреплена с обоих концов или когда мышца не может поднять
слишком большой груз. При этом h = 0 и, соответственно, механическая работа тоже равна
нулю (А = 0). Этот режим наблюдается при сохранении заданной позы и при выполнении
статической работы . В этом случае в мышечном волокне все равно происходят процессы
возникновения и разрушения мостиков между актином и миозином, т. е. тратится энергия на эти
процессы, но отсутствует механическая реакция перемещения нитей актина вдоль миозина.
Физиологическая характеристика такой работы заключается в оценке величины нагрузки и
длительности работы.
– изотонический –
предполагает постоянную степень напряжения мышцы однако в естественных условиях такой
режим реализован быть не может, поэтому правильнее говорить о квазиизотоническом режиме
работы мышц и, соответственно, методе. При использовании этого метода движения
выполняются в медленном темпе и, по возможности, плавно, без расслабления мышц
в граничных моментах фаз движения;
Изотонический режим (режим постоянного тонуса мышцы) наблюдается при отсутствии
нагрузки на мышцу, когда мышца закреплена с одного конца и свободно сокращается.
Напряжение в ней при этом не изменяется. Это происходит при раздражении изолированной
мышцы лягушки, закрепленной одним концом на штативе. Так как при этих условиях Р = 0, то
механическая работа мышцы также равна нулю (А = 0). В таком режиме работает в организме
человека только одна мышца — мышца языка. (В современной литературе также встречается
термин изотонический режим по отношению к такому сокращению мышцы с нагрузкой, при
котором по мере изменения длины мышцы напряжение ее сохраняется неизменным, но в этом
случае механическая работа мышцы не равна пулю, т. е. она совершает внешнюю работу).
Сокращение мышцы при постоянном напряжении или внешней нагрузке называется
изотоническим.
– уступающий –
в котором
максимально
активизированная
мышца
насильственно
растягивается
под воздействием внешней силы;
Мышцы, противодействующие какому-либо сопротивлению, могут при напряжении и
удлиняться, например, удерживая очень тяжелый груз. В таком случае их работа называется
уступающей (эксцентрической).
6
Ауксотонический режим (смешанный режим) характеризуется изменением длины и тонуса
мышцы, при сокращении которой происходит перемещение груза. В этом случае совершается
механическая работа мышцы (А= Р ? h). Такой режим проявляется при выполнении
динамической работы мышц даже при отсутствии внешнего груза, так как мышцы
преодолевают силу тяжести, действующую на тело человека. Различают 2 разновидности этого
режима работы мышц: преодолевающий (концентрический) и уступающий (эксцентрический)
режим.
– преодолевающий –
Если, преодолевая какое-либо сопротивление, мышцы сокращаются и укорачиваются, то такая
их работа называется преодолевающей (концентрической).
мышца укорачивается с различной скоростью, зависящей от величины сопротивления;
– реверсивный –
характеризуется быстрой сменой эксцентрического и концентрического режимов работы мышц
(например, отталкивание верх после спрыгивания с возвышения);
в) напишите основной закон динамики для поступательного и вращательного движения:
основной закон динамики: произведение массы точки на ускорение, которое она получает под
действием данной силы, равно по модулю этой силе, а направление ускорения совпадает с
направлением силы.
F = ma, где F - сила, действующая на точку, m - масса материальной точки, a - ускорение,
приобретаемое материальной точкой в инерциальной системе отчета.
Основное уравнение динамики поступательного движения
F = dp/dt,
где р – импульс тела, F – результирующая внешних сил, действующих на тело.
p=mv
Основое уравнение динамики вращательного движения
М = dL/dt = E*J ,
где M – момент силы, L – момент импульса, J – момент инерции, E – угловое ускорение
г) проанализируйте механизм отталкивания от опоры по динамическим характеристикам,
вычислив угол отталкивания, угол вылета и дальность прыжка в длину
7
Ry, кг
Fmax
0,5 Fmax
Rymax-P
t0,5 Fmax
t
toп
tFmax
Rx
RXmax
Исходные данные для определения угла отталкивания,
угла вылета и дальности прыжка в длину
Таблица 2
Р, кг
81
Где Р
VYв, м/с
2,45
VXв, м/с
8,25
RYmax,
RXmax,
RYmax-P,
αощ,
αвылета,
кг
кг
кг
град
град
273,0
40,0
192
78
17
1, м
11.6
– вес спортсмена
8
VYв
– вертикальная составляющая скорости ОЦМ в момент отрыва от опоры
VXв
– горизонтальная составляющая скорости ОЦМ в момент отрыва от опоры
RYmax
– максимум вертикальной составляющей силы реакции опоры в фазе отталкивания
RХmax
– максимум горизонтальной составляющей силы реакции опоры в фазе
отталкивания
RYmax-P
α отт – угол отталкивания
αотт=arctg
Ry max  P
=arctg(192/40)=4.8~78°
Ðxmax
α отт
РXmax
Угол отталкивания можно измерить с помощью транспортира, если масштаб силы по оси Х и У
одинаковый (сложение сил по правилу параллелограмма)
α вылета = arctg
Vyâ
= arctg 2.45/8.25= arctg0.30~17°
Vxâ
α вылета – угол вылета ОЦМ в момент отталкивания может быть также измерен транспортиром,
если масштаб вертикальной и горизонтальной составляющих скоростей ОЦМ одинаковый
VYв
α вылета
VXв
1 – теоретическая дальность прыжка
9
1=
Vxâ
(Vxâ  Vyâ2  2 ghâ) , где (8.25/9.81)(8.25+√(2.45²+2*9.81*1.3))=~11.6
g
g – ускорение свободного падения,
g = 9,81 м/с2
hв = 1,3 м – высота ОЦМ в момент вылета
5. Анализ энергетических характеристик:
а) потенциальная энергия –
Епот = mgh ,
где Епот — потенциальная энергия тела, m — масса тела, g — ускорение свободного падения,
h — высота положения центра масс тела над произвольно выбранным нулевым уровнем.
б) кинетическая энергия –
Екин пост = mv2/2
где m – масса тела, v - скорость тела
в) кинетическая энергия вращательного движения –
Екин вр = Jω2/2 ,
где J – момент инерции тела, ω - угловая скорость тела
г) полная механическая энергия ОЦМ –
Еполн = mv2/2 + mgh
д) работа поступательного и вращательного движения –
Апост = FS
Авращ = Mφ ,
где M – момент силы, φ – угол поворота, F – сила, S – путь
е) мощность поступательного и вращательного движения
Nпост = FV
Nвращ = Mω ,
где M – момент силы, ω - угловая скорость, F – сила, V – скорость
6. Способы определения ОЦМ тела человека:
– аналитический по теореме (формулировка теоремы, понятия «ОЦМ»)
Общий центр масс— это геометрическая точка, характеризующая движение тела или
системы частиц как целого.
ОЦМ движется так, как двигалась бы материальная точка с массой m под действием
таких же по величине и направлению сил.
ХОЦМ =(Fb2-Fb1)h/P
10
УОЦМ =(Fa2-Fa1)h/P
где Fв1 и Fа1 – показания без человека
Fв2 и Fа2 – показания весов с человеком
–
графический
(определение
понятия
«ОЦТ»
и
используемого
правила
сложения параллельных сил тяжести)
Центром тяжести тела называется точка, относительно которой суммарный момент сил
тяжести, действующих на систему, равен нулю.
Правило сложения параллельных сил тяжести: равнодействующая двух параллельных сил,
направленных в одну и ту же сторону, равна сумме этих двух сил, параллельна им, направлена в
ту же сторону и приложена в точке О, делящей расстояние между точками приложения сил в
отношении, обратном отношению сил.
F=F1+F2
OB/OA=F1/F2
F=F2-F1
OB/OA=F1/F2
Промер – определение- схематическое определение поз в граничных моментах
Ротн, % – относительный вес звена
Исходные данные: Кi – коэффициент,определяющий относительное расстояние центра масс от
проксимального сустава
– перечислить известные вам методы:

экспериментальный

рассчетный
11
а) рассчитать координату Уоцм с помощью уравнения множественной регрессии,
полученного на основе применения радиоизотопного метода определения геометрии масс тела
100 испытуемых (В.М. Зациорский, 1979)
Уоцм = 11,6 + 0,675 Х1 – 0,173 Х2 – 0,299 Х3 (см),
Где Х1 – длина тела, см
Х1 = 181,6
Х2 – обхват голени, см
Х2 = 38,1
Х3 – дина корпуса, см
Х3 = 81,7
Уоцм = 11,6 + 0,675 * 181.6 – 0,173*38.1 – 0,299*81.7=103.1604
б) рассчитать координату Уоцм с помощью уравнения множественной регрессии,
полученного в результате сравнения антропометрических показателей 255 спортсменок разной
квалификации (велосипедистки, пловчихи, теннисистки):
Уоцм = -4,667 + 0,289 Х4 + 0,383 Х5 + 0,301 Х6,
где Х4 – длина ноги, см
Х4 = 102
Х5 – длина тела, см
Х5 = 160
Х6 – ширина таза, см
Х6 = 25,9
Уоцм =-4,667 + 0,289*102 + 0,383 *160 + 0,301 *25.9 = 93.8869
Полученные значения ОЦМ сравнить с табличными и сделать заключение, каким видом спорта
могла бы заниматься данная спортсменка, исходя из ее антропометрических данных
Таблица 3
Вид спорта
Абсолютная высота ОЦМ,
Длина тела, см
см
Велосипед
91,65±0,62
163,21±0,53
Плавание
94,78±0,50
166,57±0,54
Теннис
92,47±0,71
164,71±0,69
Исходя из полученных данных, предложенными видами спорта данная спортсменка заниматься
не может.
7. Анализ двигательных качеств в Вашем виде спорта
7.1.
Силовые качества –характеризуются максимальными величинами силы
действия
12
а) параметрические зависимости – зависимости между показателями максимальной
силы, скорости и длительности в разных двигательных заданиях, отличающихся
значениями своих параметрами.
Зависимости:
-силы от скорости движущегося звена тела (сила действует обратнопропорционально
скорости)
-силы от направления движения (сила действует в уступающих движениях, может
значительно превосходить максимальную изометрическую силу человека)
параметрическая
непараметрическая
Fм
Vм
б) непараметрические зависимости – зависимости между лимитными (наивысшими
среди максимальных) значениями и величинами максимальной силы, скорости и
длительности в отдельных двигательных заданиях
7.2. Скоростные качества – характеризуются способностью человека совершать
двигательные действия в минимальный для данных условий отрезок времени
Элементарные формы проявления скоростных качеств:
а)скорость одиночного движения
б)частота движения
в)латентное время реакции
Градиенты силы:
а) показатель взрывной силы – скоростно-силовой индекс I – математическое выражение
градиента силы
I = Fmax/tmax=285/0.011=~51818
б) показатель стартовой силы – скоростно-силовой индекс Q
Q = F0.5max/tmax =285/0.0047=~60638
в) коэффициент реактивности R
R = Fmax/tmaxP= 570/0.011*60=~864
13
Таблица 4
Р, кг
Fmax, кг
60
570
0,5Fmax,
tFmax,
t0,5Fmax,
tоп,
кг
c
c
с
0,011
0,0047
0,118
285
I
Q
R
51818
60638
864
Где Р – вес спортсмена
Fmax – максимальное значение вертикальной составляющей силы реакции опоры
tFmax – время достижения максимальной силы
t0,5Fmax – время достижения половины максимальной силы
tоп – время опорного периода (см. рис.)
7.3. Выносливость – способность противостоять утомлению
эргометрия – совокупность количественных методов измерения физической
работоспособности человека (основные переменные: интенсивность выполнения двигательного
задания, объем выполненного двигательного задани, время выполнения)
абсолютные показатели выносливости (явные) – без учета развития силовых или
скоростных качеств
относительные (латентные) показатели выносливости – с учетом развития силовых
или скоростных качеств, когда их влияние каким-либо образом исключается (напр.,
коэффициент выносливости, запас скорости)
дистанция анаэробных резервов –величина дистанции, пройденная за счет запасов
энергии, не восстанавливаемых по ходу выполнения двигательного действия
критическая скорость –максимальная скорость передвижения, которая может быть
достигнута за счет энергии из источников, восстанавливаемых по ходу выполнения задания
Рассчитайте коэффициент выносливости (кв), запас скорости (зс) и индекс
выносливости (ив)
Таблица 5
tд
58,5
Где
tэт
кв
зс
ив
~5
3.125
12.5
11,5
tд – время прохождения всей дистанции (Д=400 м)
tэт – время прохождения эталонного отрезка (100 м)
n – 4 количество эталонных отрезков
кв – tд/ tэт = 58.5/11.5=~5
зс – tд/n– tэт=58.5/4-11.5=3.125
14
ив – tд– tэт ·n =58.5-11.5*4=12.5
8. Спортивно-техническое мастерство – характеризуется тем, что умеет делать спортсмен
(объем, разносторонность, рациональность) и как он владеет освоенными действиями
(эффективность, освоенность)
– объем двигательной деятельности (соревновательный и тренировочный) определяется числом
технических действий, которые умеет выполнять и выполняет спортсмен
тренировочный- сумарное число технических действий, которые освоены данным спортсменом
соревновательный- число различных технических действий, выполняемых в условиях
соревнований
–разносторонность двигательной деятельности (соревновательная и тренировочная) это степень
разнообразия двигательных действий, которыми владеет спортсмен и которые он применяет на
соревнованиях
– рациональность определяется возможностью достичь на основе технических действий высших
спортивных результатов. Это характеристика не спортсмена, а способа выполнения движения,
используемой разновидности техники
– эффективность –степень близости выполнения спортивной техники к наиболее рациональному
варианту. Это характеристика не варианта техники, а качества владения техникой. Она бывает
сравнительной, абсолютной, реализационной
– сравнительная эффективность –за образец берется техника спортсмена высокой квалификации
– реализационная эффективность –сопоставление показанного спортсменом результата либо с
тем достижением, которое он по уровню развития своих двигательных качеств потенциально
может показать, либо с затратами энергии и сил при выполнении оцениваемого спортивного
достижения.
Рассчитать реализационную эффективность спортивной техники на примере толкания ядра
с разгона с использованием уравнений множественной регрессии методом регрессионных
остатков.
__
Средний ожидаемый результат Ó выполнения толкания ядра с разгона определяется по
уравнению множественной регрессии, где неизвестными являются результаты тестовых заданий
Х1 – результат жима штанги лежа и Х2 – результат приседания со штангой
__
Ó = 7,455 + 0,010·Х1 + 0,028·Х2= 7,455 + 0,010·169.2 + 0,028·220= 15.307
Оценка эффективности техники толкания ядра осуществляется путем сравнения
регрессионного остатка
15
__
К = Ó – Удейств (разность среднего ожидаемого результата и действительного значения) с
критериями эффективности техники
Таблица 6
Х1, кг
169,2
Х, кг
__
Ó,м
220,0
15.307
Удейств, м
15,960
Оценка
__
К= Ó - У действ, м
эффективности
отличная
-0.653
Таблица 7
Уровни эффективности
Критерии эффективности техники
Отличная
< –1,648 м
Хорошая
От 0 до –1,648 м
Средняя
От 0 до +1,648 м
Плохая
> 1,648 м
У действ
__
Спортивный результат
К
К = У – Ó действ=0.653
У
Х
Достижения в тесте
Литература
1.
Донской Д.Д., Зациорский В.М. Биомеханика: Учебник. – М.: ФиС, 1980, гл. 2, 3,
4, 12
2.
Каймин М.А. Расчетно-графическая работа по биомеханике и технике спортивных
движений в легкой атлетике: Методические разработки для студентов институтов
физической культуры. – М., 1981. – С. 16-17, 20-22, 26-28.
16