Биомеханика вертикальной устойчивости и оценка ее в спорте

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 (B.C. Гурфинкель, 1965; Д. Д. Донской, В.М. За-циорский, 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; B.C. 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; Н. 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.

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 исследованиясостоит 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, операторовна 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 (ДОС 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. г.

2. Представление о суставной жесткости и возможности изучения ее на биомеханической модели малоподвижной опоры-как механического аналога подвижности голеностопного суставажесткость которого нелинейна и экспериментально определена в виде зависимости времени условного равновесия (t) и восстанавливающего момента (Мв) измерительной платформы: t= 6,1 In (еМв).

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.

Личный вклад автора состоит в обосновании запатентованного способа контроля и оценки устойчивости человека и разработке комплекса ста-билометрической аппаратуры, а также в личном участии автора в проводимых обследованиях членов сборных команд страны по прыжкам в воду, синхронному плаванию, теннису в подготовительный период и на соревнованиях, в обработке результатов и публикации более 20 статей, авторского изобретения, четырех патентов и четырех учебно-методических пособий для студентов.и.аспирантов ВУЗов страны.

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

ВЫВОДЫ.

1. В биомеханике признается, что сохранение вертикальной стойки человека представляет собой квазистатический процесс колебательного типа, однако оценка устойчивости тела выбрана не специфичной для динамических систем. Предложено иное представление о критерии оценки качества устойчивости тела, отличное от ранее существующего. Качество вертикальной устойчивости тела связано с оптимизацией амплитудных характеристик его движения, а не минимизацией амплитуды колебаний, принятой в биомеханике. В диссертационной работе на основе экспериментов по удерживанию равновесия тела на малоподвижной платформе было показано, что под влиянием тренировки амплитуда отклонений тела от вертикали уменьшалась незначительно, в то время как показатель устойчивости юных гимнастов возрос троекратно, что подтверждает предположение об-оптимизации амплитуды колебаний (при совершенствовании механизма устойчивости), а не об ее уменьшении.

2. Предлагается оценивать устойчивость с учетом величины суставной жесткости опорно-двигательного аппарата и считать ведущим элементом организации жесткости голеностопный сустав. Методом механо-математического моделирования определена необходимая для комфортного поддержания ортоградной стойки средняя вращательная жесткость голеностопного сустава, равная 180 Нм/рад.

3. Суставная жесткость экспериментально изучена на основе биомеханической модели — малоподвижной опоры, представляющей собой механический аналог подвижности голеностопного сустава, жесткость которого нелинейна. Теоретическое обоснование подобной модели и разработка аппаратурного комплекса «Тариус» создали условия для исследования суставной жесткости голеностопа на основе идентичности движений голеностопного сустава и механических колебаний опорной поверхности. Биомеханический эксперимент позволил получить оптимальные средние величины: угол поворота верхней пластины платформы — а = 0,7° и вращательную жесткость — Сш = 180 Нм/рад, которые являются образующими восстанавливающего момента — Мв = 2 Нм.

4. Результирующий момент вращения, как векторная сумма восстанавливающего момента измерительной платформы и опрокидывающего момента силы тяжести человека, регулируется благодаря изменению суставной жесткости голеностопа, организуемой за счет интегрального момента сил мышц-антагонистов, участвующих одновременно в регуляции позы. Величина результирующего разностного момента определяет качество устойчивости, которое оценивается количественно временем условно равновесного состояния, измеряемого комплексом «Тариус». Достоверное улучшение показателя вертикальной устойчивости и стабилизация амплитудных характеристик имеет место в зоне оптимальных механических параметров платформы.

5. В работе экспериментально определена регрессионная зависимость между временем условного равновесия (t) и восстанавливающим моментом (Мв), которая апроксимируется логарифмической зависимостью: t = 6,11п (еМв), где In — логарифмическая функция с основанием «е» (е = 2,73). Возможно, полученный результат доказывает свойственную сенсорным системам нелинейную зависимость ответа живой системы (t) на стимулмомент (Мв), созданный на идентичной по биомеханическим характеристикам голеностопному суставу модели в виде малоподвижной опорной поверхности с моментом Мв. В литературе аналогов подобной модели обнаружить не удалось.

6. Важнейшие биомеханические параметры сохранения вертикальной устойчивости тела, полученные экспериментально, были положены в основу технологии работы на малоподвижной платформе, позволяющей теоретически рассчитать показатель устойчивости — У, а далее измерить его в различных позах у представителей некоторых видов спорта разного возраста и квалификации:

У = Ку—-—, У а (С + 2) где Ку — постоянный коэффициент, t — время условного равновесия, Р — вес испытуемого, а — угол наклона платформы, С — линейная жесткость регулировочных пружин. Показатель устойчивости У, позволил оценить многофакторность процесса сохранения вертикальной устойчивости с позиции биомеханики и раскрыть причинно-следственные связи, влияющие на границы интервалов нормирования шкалы устойчивости.

7. Педагогический эксперимент показал, что комплекс «Тариус» можно рассматривать в качестве объективного средства контроля качества устойчивости. Проведенные исследования продемонстрировали, что разработанные теория и комплекс «Тариус» могут использоваться в педагогической практике как средство контроля эффективности разных методик тренировки приземлений по показателю устойчивости, например, в гимнастике. Экспериментально доказано, что у высококвалифицированных гимнастов, применяющих специальные средства тренировки устойчивости, улучшилось качество приземления на 56% (судя по экспертным оценкам), что на достоверном уровне связано с одновременным ростом результата самого теста на устойчивость.

Определена более высокая стабильность показателя устойчивости гимнастов, коэффициент вариации которого достоверно уменьшился в результате целенаправленной тренировки с применением специальных средств. Это свидетельствует о надежности созданной методики оценки устойчивости.

8. Созданная методика служит средством объективного контроля за подготовкой юных гимнастов, что выяснилось в сравнительном педагогическом эксперименте, построенном на сопоставлении в течение учебного года в контрольной и экспериментальной группах экспертных оценок выступлений и тестов на устойчивость. Дети, систематически занимающиеся развитием биомеханизма вертикальной устойчивости с использованием инновационного метода — малоподвижной опоры, имели достоверный рост среднего балла судейской оценки и показателя устойчивости, прирост которого утроился по сравнению с результатами контрольной группы. Дети в контрольной группе не имели за тот же период достоверный прирост ни в экспертной оценке, ни в показателе устойчивости, что свидетельствует о целесообразности применения разработанной методики контроля и оценки вертикальной устойчивости в работе с юными спортсменами.

9. Разработанный метод оценки вертикальной устойчивости зарекомендовал себя достаточно чувствительным. Качество устойчивости мастеров спорта — женщин выше, чем у мужчин, и характеризуется достоверно большим временем устойчивости, более низкой частотой коррекции позы, а, следовательно, достоверно более продолжительным временем одиночного колебания тела. Эти же признаки характерны для состояния оперативной' готовности спортсмена, по ним распознается хорошая спортивная форма мастеров, например, прыгунов в воду и специалистов синхронного плавания, что доказано экспериментами с участием сборных команд страны.

10. Созданный комплекс «Тариус», примененный в трудовой и спортивной практике, зарекомендовал себя как объективное средство оценки устойчивости и контроля воздействия внешних и внутренних факторов, что показано на примере мастеров фигурного катания, а также как эффективный тренажер элементов техники движений, связанных с необходимостью высокой* устойчивости и результативности деятельности.

Практические рекомендации.

Разработанный комплекс аппаратуры «Тариус» является инновационным независимым средством контроля и оценки качества устойчивости. Рекомендуется специалистам физического воспитания и спорта для широкого применения в работе с квалифицированными спортсменами и в массовой физической культуре.

Малые габариты и простота в эксплуатации комплекса «Тариус», безвредность, игровая привлекательность и эмоциональность в работе позволяют рекомендовать разработанное техническое устройство и методику его применения в качестве дополнительного средства совершенствования устойчивости, развития межзвенной координации и проприоцептивной чувствительности мышц и суставов нижних конечностей на любом уровне мастерства и в любом возрасте в сочетании с традиционными тренировочными средствами развития равновесия.

Допустимо использование комплекса «Тариус» при систематических г занятиях и при разовых обследованиях. i.

Время одного тестирования было фиксированным 40 с или 60 с, число подходов за время тренировки не ограничивается. Постановка стоп на поверх- - ности площадки строго не регламентирована и определяется испытуемым по комфортности исходного положения.

Оптимальные механические параметры подвижности измерительной малоподвижной платформы (а = 0,7° и угловой жесткости Сш = 180 Нм/рад) соответствуют состоянию комфортности ощущений занимающихся при любой модификации измерительного комплекса. Оценка качества устойчивости тела определяется путем сопоставления времени равновесия с индивидуальным нормированным значением этого показателя.

Методика контроля и оценки устойчивости рекомендуется для определения уровня готовности к различным видам спортивной и профессиональной деятельности: спортсмены различной квалификации, операторы, водители, высотники и прочие специальности, требующие высокое качество вертикальной устойчивости.