CC BY
12СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ПЕРЕСТРОЙКА ТЕХНИКИ ГИМНАСТИЧЕСКИХ УПРАЖНЕНИЙ
УДК/UDC 796.012
Поступила в редакцию 04.06.2015 г.
Доктор педагогических наук, профессор В.И. Загревский1 Доктор педагогических наук, профессор О.И. Загревский1 1 Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск
STRUCTURAL-PARAMETRIC REORGANIZATION OF TECHNIQUE OF GYMNASTIC EXERCISES
Professor, Dr.Hab. V.I. Zagrevskiy1 Professor, Dr.Hab. O.I. Zagrevskiy1
1 National Research Tomsk State University, Tomsk
Информация для связи с автором: [email protected]
Аннотация
В настоящее время при обучении технике соревновательных упражнений в спортивной гимнастике применяется структурно-фазовый подход, учитывающий влияние отдельных фаз на построение всего упражнения в целом. Изучить степень влияния фаз друг на друга с биомеханическими количественными параметрами и наметить возможность совершенствования техники исполнения упражнения с достаточной эффективностью можно методом математического моделирования.
Цель исследования состояла в разработке компьютерной технологии приведения биомеханической системы из заданного начального кинематического состояния в требуемое конечное состояние по пространственно-временным параметрам. Для достижения цели исследования применялись такие методы: рекуррентный метод построения математической модели синтеза движений многозвенных биомеханических систем, математические методы построения адаптивных систем управления программным движением, имитационное моделирование движений человека в вычислительном эксперименте с применением компьютерных технологий.
Авторами получены следующие результаты: решена задача синтеза гимнастических упражнений в вычислительном эксперименте такого программного управления, которое реализует траекторию гимнаста по опорным точкам, а именно по границам фаз моделируемого упражнения. По существу, решена задача приведения объекта из одного состояния в другое с заданными свойствами, что позволяет прогнозировать варианты рациональной техники гимнастических упражнений.
Ключевые слова: техника упражнения, фазовая структура, моделирование движений, программное управление.
Annotation
Nowadays, the structure-phase approach is applied when training technique of competitive exercises in gymnastics that takes into account the impact of individual phases in the construction of the whole exercise in general. Mathematical modeling can be applied to examine the degree of influence of phases on each other with biomechanical quantitative parameters and outline the possibility of improving the technical performance of exercise rather efficiently.
The purpose of the study was to develop a computer technology to bring a biomechanical system from a given initial kinematic state to the desired final state by spatial and temporal parameters.
The objective of the study was achieved using such methods as recursive method of constructing a mathematical model of synthesis of movements of multi-link biomechanical systems, mathematical methods of design of adaptive systems of program movement control, simulation of human movements in a computing experiment using computer technology.
As a result of the experiment the authors managed to solve problem of synthesis of gymnastic exercises in the computing experiment of such software which implements the trajectory of a gymnast based on reference points, namely on the limits of phases of simulated exercise. In fact, the problem of bringing an object from one state to another with specified properties, which allows to predict options of rational technique of gymnastic exercises, has been solved.
Keywords: exercise technique, phase structure, motion modeling, program control.
Введение. Проблема структурно-параметрического совершенствования двигательного навыка заключается в том, чтобы предварительно, в количественной и качественной форме, оценить вклад, вносимый параметрическими перестройками фазовой структуры упражнения, в конечный спортивный результат и на этой основе наметить пути совершенствования индивидуальной спортивной техники [3, 4]. Мы попытались решить эту проблему с использованием метода компьютерного синтеза техники спортивных упражнений [1, 2], расчленяя двигательное действие на фазовые составляющие и задавая на границах фаз моделируемого движения требуемые параметры кинематического состояния биосистемы.
Цель исследования - определить закономерности изменения биомеханического состояния биосистемы на границе фаз упражнения при целенаправленном изменении кинематической структуры управляющих воздействий.
Результаты исследования и их обсуждение.
1. Вариация рабочих положений гимнаста. В качестве моделируемого упражнения был выбран гимнастический элемент на параллельных брусьях: оборот назад под жердями в стойку на руках. Исполнитель - мастер спорта международного класса И. Черкасов. На основе биомеханического анализа были выделены основные опорные точки (1-5), являющиеся началом, окончанием упражнения и границами его фазового состава (рис. 1).
В исходном рабочем положении спортсмена в упоре на брусьях (опорная точка 1) упражнение начиналось из состояния покоя: все звенья тела имели угловую скорость, равную 0 рад/с и располагались соответственно под углом Q1=1200 к оси Ох декартовой системы координат (обобщенные координаты рук), Q2=2500 (обобщенные координаты туловища), Q3=2400 (обобщенные координаты ног). Промежуточному рабочему положению в момент прохождения гимнастом вертикального положения под опорой соответствует опорная точка 2. Опорная точка 3 характеризует положение спортсмена в момент потери контакта кистей рук с жердями брусьев. Положение звеньев тела в момент прихода на жерди после полетной части упражнения (опорная точка 4) и стойка на руках на брусьях (опорная точка 5) в исполнении И. Черкасова показаны на рис. 1 (вариант III).
2. Параметрические изменения программного управления. В качестве программного управления рассматривались сгибательно-разгибательные движения в плечевых (U1) и тазобедренных (U2) суставах как разница обобщенных координат звеньев модели: U1=Q2-Q1, U2=Q3-Q2 Предполагалось, что одним из возможных вариантов параметрической перестройки техники моделируемого упражнения может быть принятие гимнастом различных рабочих положений в висе согнувшись (опорная точка 2): с приподнятым (рис. 1, варианты I-II,) или опущенным (рис. 1, IV-V положением таза относительно плечевых суставов (рис. 1, III). Угол между ногами и туловищем в момент прохождения телом гимнаста опорной точки 2 не изменяется (68 0), а изменяется только угол в плечевых суставах: 310 - вариант I, 510 - вариант II, 710 - вариант III, 910 - вариант IV, 1110 - вариант V. В остальных опорных точках пространственное положение звеньев тела спортсмена фиксировано. Таким образом, при выполнении спада программное управление в плечевых суставах варьируется по амплитуде, обеспечивая разнообразие рабочего положения в опорной точке 2. Амплитуда же кинематического сгибания в тазобедренных суставах (1280) при выполнении спада во всех вариантах синтеза моделируемого движения (I-V) остается без изменений.
3. Траекторные изменения звеньев модели в результате параметрического изменения программного управления в плечевых суставах в фазах «спад» и «подъем», определенные в вычислительном эксперименте по технологии [1, 2], приведены на рис. 2. И здесь следует обратить внимание на то, что переход биомеханической системы из одного и того же исход-
ного положения (и. п.) в одно и то же конечное положение (к. п.) осуществляется принятием различных поз в промежуточном положении (п. п.). В то же время, несмотря на вариативность программного управления в плечевых суставах по различным вариантам (I—IV) синтеза движений спада и подъема, происходит переход биомеханической системы из одного и того же пространственного и. п. в одно и то же пространственное к. п.
Отмечаемая особенность достижения биомеханической системой заданного пространственного положения позволяет целенаправленно совершенствовать технику спортивного упражнения с достижением необходимых кинематических и динамических показателей в опорных точках фазового перехода.
4. Кинематические особенности биомеханической системы в заданном конечном положении следуют из условий достижения экстремума (максимума или минимума) программного управления в опорных точках фазового перехода. Переход в опорных точках от разгибательного движения в суставах к сгибательному или наоборот связан с достижением экстремума амплитуды программного управления, а следовательно, и нулевого значения скорости программного управления, что обусловливает равенство угловой скорости звеньев тела спортсмена (руки, туловище, ноги) в этот момент времени (рис. 3, А).
Следовательно, одновременный переход от сгибательного движения к разгибательному в нескольких суставах или наоборот сопровождается уравниванием угловой скорости всех звеньев, примыкающих к этим суставам. Отсюда же следует, что в условиях опоры сгибательное суставное действие придает большую угловую скорость дистальному звену относительно проксимального звена биосистемы.
Для углового ускорения звеньев модели (рис. 3, В) закономерность, присущая угловой скорости, не отмечается.
5. Динамические особенности биомеханической системы в заданном конечном положении следуют из различий в параметрах пространственно-временных характеристик звеньев модели, что можно видеть на примере моментов мышечных сил в шарнирах модели (рис. 4).
Так как динамические характеристики являются функцией угловой скорости и углового ускорения, любое изменение пространственно-временных характеристик влечет за собой изменение параметров динамических характеристик в каждом варианте моделируемых движений.
Выводы:
• Структурно-параметрическая перестройка техники гимнастических упражнений основывается на вариации про-
Рис. 1. Биомеханическое структурирование оборота назад под жердями в стойку на руках на параллельных брусьях
Рис. 2. Синтезированные траектории (I-V) биомеханической системы с программным управлением в плечевых (и1) и тазобедренных (и2) суставах и приходом в однотипное конечное положение (к. п.) из однотипного исходного положения (и. п.) и различными вариантами промежуточных положений (п. п.)
ср;
7,4 7,2 7,0 6,8 6,6 6,4 6,2 6,0 5,8
рад/с
Вариант Вариант Вариант Вариант Вариант I П Ш IV V
Ш - руки, туловище, ноги.
ф,
5 0 -5 -10 -15 -20 -25
рад/с
В
в
Вариант Вариант Вариант Вариант Вариант I П Ш IV V
□ - руки
■ туловище
□ -1
Рис. 3. Угловая скорость (А) и угловое ускорение (В) звеньев модели в конечном рабочем положении в различных вариантах синтеза движений
м
250 250 250 250 250 250
Р
I I плечевые суставы
I тазобедренные суставы
Вариант I
Вариант
rv
П Ш IV V
Рис. 4. Управляющие моменты мышечных сил в шарнирах модели в конечном рабочем положении в различных вариантах синтеза движений
граммного управления в отдельных фазах двигательного действия на кинематическом уровне: изменении амплитуды и длительности сгибательно-разгибательных движений в суставах спортсмена.
• Прогнозируемый результат структурно-параметрической перестройки техники гимнастических упражнений реализуется в вычислительном эксперименте компьютерного синтеза движений с заданным (требуемым) кинематическим состоянием в промежуточных рабочих положениях.
• Перевод биомеханической системы из начального заданного положения в конечное требуемое по пространственным характеристикам кинематическое состояние возможен по различным траекторным перемещениям звеньев биосистемы.
• В однотипном по пространственным характеристикам состоянии биосистемы в конечном положении возможно совмещение различных по параметрам пространственно-временных и динамических характеристик упражнения.
Литература
1. Загревский В.И. Компьютерный синтез двигательных действий с управлением движением по кинематическому состоянию биомеханической системы / В.И. Загревский, О.И. Загревский // Теория и практика физ. культуры. - 2013. - № 7. - С. 10-15.
2. Загревский В.И. Компьютерный синтез техники спортивных упражнений на основе управления конечным состоянием биомеханических систем / В.И. Загревский // Теорiя i методика фiзично-го виховання i спорту. - 2014. - № 1. - С. 70-75.
3. Капилевич Л.В. Физиологические механизмы координации движений в безопорном положении у спортсменов / Л.В.Капилевич // Теория и практика физ. культуры. - 2012. - № 7. - С. 45-48.
4. Кошельская Е.В. Физиологические и биомеханические характеристики техники ударно-целевых действий футболистов / Е.В. Кошельская, Л.В. Капилевич, В.Н. Баженов и др. // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 2012. - Т. 153. - № 2. - С. 235-237.
References
1. Zagrevskiy, V.I. Komp'yuterny sintez dvigatel'nykh deystviy s upra-vleniem dvizheniem po kinematicheskomu sostoyaniyu biomekhan-icheskoy sistemy (Computer synthesis of motor actions with motion control based on kinematic condition of biomechanical system) / V.I. Zagrevskiy, O.I. Zagrevskiy // Teoriya i praktika fizicheskoy kul'tury. -2013. - № 7. - P. 10-15.
2. Zagrevskiy, V.I. Komp'yuterny sintez tekhniki sportivnykh uprazhneniy na osnove upravleniya konechnym sostoyaniem biomekhanicheskikh sistem (Computer synthesis of exercise technique based on control of final state control of biomechanical systems) / V. Zagrevskiy // Teoriya i metodika fizicheskogo vospitaniya i sporta. - 2014. - № 1. - P. 70-75.
3. Kapilevich, L.V. Fiziologicheskie mekhanizmy koordinatsii dvizheniy v bezopornom polozhenii u sportsmenov (Physiological mechanisms of motion coordination while floating in athletes) / L.V. Kapilevich // Teoriya i praktika fizicheskoy kul'tury. - 2012. - № 7. - P. 45-48.
4. Koshel'skaya, E.V. Fiziologicheskie i biomekhanicheskie kharakteristiki tekhniki udarno-tselevykh deystviy futbolistov (Physiological and bio-mechanical characteristics of technique of shooting actions of football-players) / E.V. Koshel'skaya, L.V. Kapilevich, V.N. Bazhenov et al. // Byulleten' eksperimental'noy biologii i meditsiny. - 2012. - V. 153. - № 2. - P. 235-237.
Уважаемые коллеги!
Сибирский государственный университет физической культуры и спорта поздравляет Вас и в вашем лице наш отраслевой журнал «Теория и практика физической культуры» со знаменательной юбилейной датой - 90-летием со дня основания. Трудно переоценить значение журнала для пропаганды научных знаний и развития науки о физической культуре и спорте в России. Журнал за это время стал не просто популярным, а востребованным специалистами в нашей стране и за рубежом.
Желаем Вам творческих успехов, вдохновения и благодарных читателей на многие годы!
И.о. ректора С.Г. Куртев
Проректор по научной работе В.А. Аикин
