153237 (622081), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Третя частина — методи обробки результатів вимірювань на базі математичної статистики, хоча і є невід'ємною частиною загальної біометрії, можуть розглядатися у рамках самостійної наукової дисципліни.
У біометрії широко застосовуються прийоми та методи метрології. Метрологія — це вчення про вимірювання. її завданнями є встановлення одиниць вимірювання та розробка методів високоточних вимірювань.
Виміряти фізичну величину — це означає порівняти її з однорідною величиною, умовно взятою за одиницю вимірювання. Два поняття — фізична величина та одиниця вимірювання — за змістом різні. Фізична величина — це виміряне (чи можливо виміряне) фізичне явище. Фізичне явище — це відображені у нашій свідомості явища природи, що нас оточують чи про котрі здогадуємося, але такі, що не можемо виміряти (наприклад, відомо, що кожна людина має своє біополе, але поки нема приладів, які точно виміряли б його кількісні параметри), а також температура на сонці, гравітаційні взаємодії між клітинами живих організмів та багато інших.
Одиниці вимірювання — це величини, довільно вибрані дослідниками для кількісного порівняння та оцінки об'єктивних явищ природи, котрі вивчаються.
Мета вимірювання у біомеханіці — отримання кількісної та якісної інформації про фізичні (механічні) властивості організму людини та про окремі його елементи, про її рухи та рухові дії.
Об'єкт вимірювань у біомеханіці — людина як біологічна система, її руховий апарат, внутрішні та зовнішні фізичні взаємодії організму людини за різних умов її життєдіяльності.
Основним завданням метрології у біомеханіці як частині загальної метрології є забезпечення єдності та точності вимірювання рухів. Вона складається з трьох взаємопов'язаних розділів: 1) теорія та методика вимірювань рухової діяльності людини; 2) методи обробки результатів вимірювань; 3) методи застосування отриманих кількісних даних на практиці.
Використання метрології у біомеханіці базується на
• загальній теорії вимірювань;
• утворенні одиниць фізичних величин та їх систем;
• методах та засобах вимірювання;
• методах визначення точності вимірювань (теорія похибки вимірювань);
• основах забезпечення єдності вимірювань та одноманітності засобів вимірювання;
• створенні еталонів та зразків засобів вимірювання;
• методах передачі розмірів одиниць вимірювання від еталонів до зразкових та до робочих засобів вимірювання.
У біомеханіці, окрім точності та єдності вимірювання фізичних величин, вимірюванню підлягають також біологічні, психологічні, педагогічні, соціальні показники, що характеризують рухову діяльність людини. Для цього розроблено спеціальні методи та засоби вимірювань, результати котрих можуть об'єктивно характеризувати ступінь підготовленості людини до розв'язання певних рухових завдань. У метрології біомеханічних досліджень вивчаються також дисципліни, що непрямо пов'язані із забезпеченням проведення вимірювань. До таких дисциплін належать основи математичної статистики, інструментальні методи, кваліметрія та ін.
Використовуючи обширний арсенал засобів та методів метрології у практиці вивчення рухів, фахівці здійснюють комплексний контроль, під час котрого реєструються різні показники рухової діяльності, а також стану організму людини, яка виконує певні рухи. Порівняння отримуваних результатів забезпечує можливість визначення причин та наслідків зв'язків між спеціальними керуючими впливами на організм людини та їх результатами. Дані такого зіставлення та аналізу є основою у розробці програм та планів підготовки людини до розв'язання рухових завдань у тій чи іншій сфері людської діяльності.
Таким чином, предметом метрології є комплексний контроль рухової діяльності людини при розв'язанні нею різних професіональних завдань та використання цих результатів у плануванні ефективних режимів її рухової діяльності.
Управління процесом професіональної рухової підготовки людини включає: збір інформації про її організм, про середовище, в якому вона живе, здійснює рухи; аналіз отриманої інформації; прийняття рішень про стратегію її рухової підготовки, складання програм та планів підготовки, їх реалізацію; контроль та внесення необхідних корекцій у документи планування та складання перспективних програм та планів. Мета управління системами рухів людини — це переведення їх у ході професіональної підготовки у такий стан, при котрому результат рухової діяльності поліпшується.
На певних етапах рухової підготовки, наприклад у спортсменів, можуть виникнути і більш локальні завдання — підвищення техніко-тактичної майстерності, рівня виявлення вольових та рухових якостей, переведення організму з одного функціонального стану в інший, що здійснюється за допомогою спеціальних тренувальних впливів. У професіональній руховій підготовці до них слід віднести застосування різних засобів, наприклад фізичних вправ, а також використання різних інших чинників та впливів (природних чинників зовнішнього середовища, спеціального харчування тощо). Ефективність управління процесом рухової підготовки визначається ще й тим, наскільки реальні зміни рухів спортсмена відповідають запланованим і дають змогу розв'язувати поставлені рухові завдання.
При вимірюванні характеристик рухів користуються відповідними одиницями вимірювань. При цьому виникає проблема вибору еталонів. Усі одиниці вимірювання поділяються на основні, додаткові та похідні.
Основні одиниці вимірювання — це такі, розмір яких встановлюється незалежно від інших одиниць. Похідні — це одиниці, що визначаються рівнями зв'язку, котрі виражають математичну залежність однієї величини від іншої. Системою одиниць прийнято називати сукупність поодиноких вимірювань, що охоплюють якусь специфічну область фізичних величин.
Єдності вимірювань досягають шляхом представлення результатів в узаконених одиницях і з певною вірогідністю похибок. Нині у біомеханіці використовується Міжнародна система одиниць — СІ (SI). Основні одиниці фізичних величин у СІ: одиниці довжини — метр (м); маси — кілограм (кг); часу — секунда (с); сили струму — ампер (А); термодинамічної температури — Кельвін (К); сили світла — кандела (кд); кількості речовини — моль (моль). Додаткові одиниці у СІ — радіан (рад) та стерадіан (ер) — застосовуються для вимірювання плоского та тілесного кутів у просторі. Окрім того, у біомеханічних вимірюваннях використовуються ще такі одиниці: сили — ньютон (Н), температури — градуси Цельсія (°С), частоти — герц (Гц), тиску — паскаль (Па), об'єму — літр (л), мілілітр (мл).
Висновок
В результаті проведеного аналізу матеріалу першого розділу можемо зробити висновок, що завданням біомеханіки є застосування результатів подібних досліджень для подальшого розвитку біології, фізики (механіки), професійної рухової дидактики (педагогіки), ергономіки, психомоторики, медицини, фізичної культури та спорту. Біомеханіка використовується для медичної діагностики, створення замінників тканин і органів, для розробки методів та засобів(у тому числі тренажерів), призначених для розв'язання людиною складних рухових завдань, а також методів впливу на процеси у живих об'єктах, для створення методів аналізу та корекції природних, професійних (трудових) та спортивних рухів, для пізнання рухових можливостей людини і забезпечення оптимальних умов ефективного функціонування "людино-машинних" систем, при розробці методів захисту людини від несприятливих впливів механічних чинників зовнішнього середовища під час роботи в екстремальних умовах.
Рухова функція - одна з найважливіших функцій організму людини. Під рухом при цьому ми розуміємо різні зміни в організмі, його внутрішні і зовнішні взаємодії, а також зміну його стану.
Для того, щоб оцінити окремі рухи, треба зіставити їх між собою, визначаючи їх біомеханічні характеристики. Розрізняють біокінематичні та біодинамічні характеристики рухів тіла людини.
Біомеханічна структура системи кожної фізичної вправи є своєрідним стрижнем, на якому базується і розвивається решта його структурних елементів.
Закони фізичного вимірювання живих об`єктів та способи обробки результатів являються основою біометрії як науки.
Розділ 2. Експериментальна частина
2.1 Загальна характеристика апаратурних комплексів та вимірювальних систем, що використовуються у біомеханіці
У практиці вивчення рухових дій людини використовуються візуальні та інструментальні методи контролю. У першому випадку фахівці, науковці, тренери, спортсмени, спостерігачі за переміщеннями тіла людини отримують переважно якісне уявлення про її рухи. Результат візуальної оцінки здебільшого є суб'єктивним, не основаним на чітких критеріях, його важко використати для порівняльного аналізу.
Інструментальні методи контролю є більш об'єктивними. За їх допомогою отримують кількісну оцінку характеристик та показників рухових дій людини, а також можливих змін, що відбуваються у її організмі під час тієї чи іншої рухової діяльності. Нині у біомеханіці для цього використовуються методики, прийоми, котрі запозичені з багатьох галузей знань. Для підвищення точності інструментальних методів вимірювання біомеханічних характеристик рухів залучаються всі останні досягнення інженерної думки — радіотелеметрія, лазерна техніка, радіоізотопи, інфрачервона техніка, ультразвук, ЕОМ, телебачення, відеотехніка тощо. Інструментальні методи контролю переміщень тіла людини методично зручно поділити на дві групи — контактні та безконтактні, хоча на практиці вони часто застосовуються у комплексі, доповнюючи один одного.
В оптичних та оптико-електронних методах контролю інформація передається на реєструючий пристрій променем світла або тепловим випромінюванням. У механоелектричних методах вона передається електричними сигналами по проводах або радіохвилями. Ці методи основані на перетворенні вимірюваної якимось чином фізичної величини, що об'єктивно відбиває певні якості рухів людини, в електричний сигнал (оскільки електрика є універсальним засобом передачі енергії та інформації) з наступним вимірюванням та реєстрацією.
Рис. 1. Блок-схема вимірювальної системи
Основою інструментальних методів контролю є вимірювальні системи. На рис. 1 показано типову схему вимірювальної системи, що застосовується у біомеханіці, на рис. 2 — класифікацію інструментальних методів.
Блок-схема (рис. 1) складається з блоків. Блок 1 — об'єкт вимірювання (звичайно це організм людини або окремі точки, системи точок, біоланки), котрий виконує будь-які рухові дії. Блок 2 — пристрій, що сприймає вимірювану величину. Для цього використовується чутливий елемент засобу вимірювання — датчик. Він сприймає інформацію та передає її у наступний блок. Блок 3 — перетворювач. У ньому вимірювана величина перетворюється на електричну (гідравлічну, пневматичну) величину на основі фізичного закону про зв'язок між ними. Тут же відбувається посилення сигналу. Блок 4 призначений для передачі електричного сигналу на відстань (по проводах або радіотелеметричним зв'язком). Блок 5 призначений для обчислювальних операцій.
Рис. 2. Класифікація інструментальних методів вимірювання кількісних характеристик рухів
Датчики можуть мати найрізноманітніші конструктивні особливості. При вивченні рухів та інших змін в організмі людини найчастіше застосовуються датчики контролю біоелектричних процесів та датчики біомеханічних величин. До датчиків біомеханічних процесів належать датчики відведення біопотенціалів серцевого м'яза та датчики відведення біопотенціалів скелетних м'язів. Для реєстрації біоелектричної активності м'язів застосовуються спеціальні датчики або відвідні електроди, котрі дозволяють вловлювати зміни електричної напруги, виникнення, поширення та припинення процесів збудження у працюючому м'язі. Розрізняють електроди, що застосовуються для локальної (окремі рухові одиниці — РО), стимуляційної та глобальної електроміографії (ЕМГ). Для локальної та стимуляційної ЕМГ застосовуються електроди з малою відвідною поверхнею (діаметр — 0,65 мм і менше) та найбільшою міжелектродною відстанню. Такий електрод вводиться у м'язову тканину і відводить коливання біопотенціалів від окремих волокон або РО. Для дослідження інтенсивних природних рухів, особливо спортивних, застосовуються нашкірні електроди з великою поверхнею відведення (50 мм2). Ці електроди вловлюють сумарну різницю напруг на поверхні м'яза, що виникає при збудженні численних міоневральних закінчень.
Датчики біомеханічних процесів — тензорезистори — це вимірювальні перетворювачі малих деформацій на електричні сигнали, що дозволяють виміряти зусилля, котрі людина докладає до опори або, наприклад, до спортивного снаряда. Величина механічної деформації проводових елементів цих датчиків є пропорційною величині електричного сигналу та силі впливу, що докладається до них. Таким чином, визначивши механічну деформацію цих датчиків, можна розрахувати докладену силу. Тензодатчики придатні для вимірювання як статичних, так і динамічних навантажень. їхня вхідна величина — переміщення малих деформацій, вихідна — зміна опору. Реостатні датчики (гоніометри) використовуються для вимірювання кутів (амплітуд) руху у різних суглобах. Принцип дії реостатного датчика: його вхідна величина — кутове (лінійне) переміщення, вихідна величина — зміни електричного опору. Акселерометри — це датчики для вимірювання прискорень. В основі роботи такого датчика — зміна сили інерції, що виникає під час руху. Сила інерції, котра впливає на певну масу акселерометра, пропорційна прискоренню, що виникає. Ця величина вимірюється тензодатчиком, наклеєним на пружний сило-вимірювальний елемент, що здатний сприймати деформацію тільки в одній площині. Для реєстрації повного вектора прискорення (у трьох площинах) в одній конструкції монтують три однакових датчики та орієнтують їх перпендикулярно один до одного подібно до осей координат тривимірного простору. Основною перевагою електричних методів вимірювання біомеханічних величин є оперативність отримання вимірюваних характеристик та можливість автоматизації розрахунку характеристик, що безпосередньо не вимірюються з використанням АОМ.
2.2 Біомеханічна діагностика оптимального виконання циклічних вправ
Мета даної роботи - пропозиція кількісного біомеханічного критерію оцінки оптимальності техніки виконання циклічних рухів, заснованого на мінімізації обсягу корекційних рухів при виконанні поставленої задачі. Спочатку на прикладі вивчення найбільш розповсюдженого виду руху - ходьби ми покажемо, що ефективність виконання різних видів руху залежить від функціонального стану м'язів, що приймають особисту участь у досліджуваному русі.
На базі спортивного комплексу була вивчена ходьба 69 здорових, фізично не тренованих людей у віці 20...55 років. На відміну від традиційного методу дослідження динамічних параметрів ходьби, що полягає в однократній реєстрації реакції опори, досліджували вертикальну складові реакції опори в серії з 10 кроків кожного піддослідного. Подібна методика дослідження дозволила виявити статистичні закономірності нормальної ходьби та варіабельність інформативних біомеханічних параметрів у серії кроків піддослідних. Дослідження проводилися з використанням двох динамометричних платформ. Ходьба усіх піддослідних досліджувалася в звичному темпі. У процесі природної ходьби піддослідний послідовно наставав кожною ногою на одну платформу. Відносне навантаження на нижні кінцівки визначалася у відсотках, при цьому ми виходили з того, що сумарне навантаження на обох кінцівок за подвійний крок складає 100%. Інтегрування вертикальної складової реакції опори дозволяє визначити сумарне навантаження на кінцівку за крок при ходьбі.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
