Д.А. Лавшук
Могилевский государственный университет им. А.А. Кулешова, Могилев

Ключевые слова: биомеханический синтез, прогнозирующий характер, математические модели, биомеханические системы.

Введение. До последнего времени исследования, проводимые в области биомеханики двигательных действий, сводились в основном к биомеханическому анализу, т.е. к изучению уже известных форм движений на основе данных оптической регистрации спортивных упражнений [3, 7, 12, 13]. Подобный подход к биомеханическому исследованию техники спортивных упражнений можно представить в виде следующей методологической цепочки: освоенное двигательное действие - биомеханический анализ - выводы и рекомендации по совершенствованию техники упражнений и методики обучения им. Следует отметить определенную ограниченность данного подхода, заключающуюся в следующем: первоначально на практике осваивается какое-либо движение и лишь затем оно подвергается биомеханическому анализу.

В настоящее время запросы практики спортивной деятельности требуют принципиально иного подхода в области теории построения движений: недостаточно ограничиваться анализом уже известных форм движений - необходимо разрабатывать технику упражнений с заранее заданными качествами и свойствами. Методологическая цепочка взаимосвязи науки и практики выглядит в этом случае следующим образом: биомеханический синтез исследуемого движения - биомеханический анализ - выводы и практические рекомендации - освоение движения. Иными словами, коренным образом меняются место и роль научного исследования в процессе обучения. Вместо констатирующего фактора оно носит прогнозирующий характер с активным участием непосредственно в учебно-педагогическом и тренировочном процессах. Исследования в данном направлении уже проводились рядом авторов [1, 2, 4, 6, 8 - 11], однако до настоящего времени синтез движений человека на ЭВМ не получил достаточно широкого распространения.

Цель нашего исследования заключалась в теоретическом обосновании применения математических моделей для совершенствования техники больших оборотов назад и вперед на перекладине и в создании программной компьютерной системы, позволяющей синтезировать оптимальное управление движениями биомеханических систем в вычислительном эксперименте на ЭВМ.

Методика. Были разработаны математические модели синтеза оптимальной техники двигательных действий [5]. Мы ограничились многозвенными неразветвленными моделями движений в условиях опоры, описывающими большие обороты назад и вперед на перекладине для спортсменов с различным уровнем технической подготовленности.

Для корректного выявления возможности построения оптимальной техники спортивных упражнений в вычислительном эксперименте на ЭВМ необходимы информативные данные о количественных показателях биомеханических характеристик исследуемой группы упражнений. Поэтому проводилась серия лабораторных экспериментов, включающих в себя видеосъемку исследуемых упражнений с последующим биомеханическим анализом видеоциклограмм.

Технология проведения констатирующего педагогического эксперимента заключалась в следующем: первоначально перед испытуемыми ста вилась задача выполнить исследуемые упражнения на максимально возможном техническом уровне (1-я серия упражнений) - сформированный двигательный навык. Затем двигательная задача была изменена: выполнить упражнения с максимально возможной скоростью в момент прохождения общим центром тяжести (ОЦТ) тела спортсмена вертикального положения над опорой (2-я серия упражнений) - упражнение с поставленной двигательной задачей. В эксперименте приняли участие 7 спортсменов высшей квалификации: мастера спорта и мастера спорта между народного класса. В качестве критерия техники исследуемой группы упражнений рассматривалась линейная скорость ОЦТ тела спортсмена в момент прохождения вертикального положения над опорой.

Результаты и их обсуждение. Проведенный биомеханический анализ позволил выявить, что:

1. В упражнениях со сформированным двигательным навыком ведущую роль в эффективной организации технических действий спортсменов играют сгибательно-разгибательные движения рук в плечевых суставах. Так, например, для большого оборота назад амплитуда сгибательных движений ног составляет 60% от амплитуды сгибательных движений рук.

2. Отличительной особенностью управляющих движений в плечевых суставах является наличие двух локальных максимумов мышечной активности. Спад мышечной активности в плечевых суставах спортсмена приходится на максимум мышечной активности в тазобедренных суставах.

3. Направленность кинематического сгибания в суставах не всегда соответствует направленности приложения спортсменом мышечных усилий.

4. В упражнениях со сформированным двигательным навыком амплитуда сгибательно-разгибательных движений в плечевых и тазобедренных суставах в среднем на 6-10^о меньше, чем в упражнениях с поставленной двигательной задачей.

5. Ограничения максимумов и минимумов величин моментов мышечных сил в большом обороте назад на перекладине составляют: в плечевых суставах минимум равен - 140 Н·м, максимум  - +250 Н·м; в тазобедренных суставах минимум и максимум соответственно равны - 120 Н·м и +75 Н·м.

6. Ограничения максимумов и минимумов величин моментов мышечных сил в большом обороте вперед на перекладине составляют: в плечевых суставах минимум равен - 120 Н·м, максимум - +130 Н·м; в тазобедренных суставах минимум и максимум соответственно равны -90 Н·м и +30 Н·м.

7. В больших оборотах назад со сформированным двигательным навыком максимальное кинематическое управление в плечевых суставах составляет 37 ^о, в тазобедренных - 23 ^о.

8. В больших оборотах вперед со сформированным двигательным навыком максимальное кинематическое управление в плечевых суставах составляет 40 ^о, в тазобедренных суставах - 30 ^о.

Синтез оптимального управления исследуемыми упражнениями ПЭВМ выполнялся по следующей схеме: за критерий качества техники исследуемых упражнений принималась скорость ОЦТ тела спортсмена в момент прохождения вертикального положения над грифом перекладины. В качестве начальных условий движения для математической модели принимались обобщенные координаты и скорости, вычисленные по результатам видеосъемки 2-й серии упражнений. В качестве ограничений динамических ресурсов исполнителя принимались минимальные и максимальные значения управляющих моментов мышечных сил в суставах спортсмена. В первом блоке вычислительных экспериментов дополнительно задавались ограничения на кинематические ресурсы по амплитуде реальных сгибательно-разгибательных движений спортсменов в суставах, во втором блоке вычислительных экспериментов ограничения кинематической структуры упражнений не было. Результаты вычислительных экспериментов должны были определить наиболее рациональную технику упражнений и выявить эффективную структурную организацию управляющих воздействий.

Таблица 1. Прирост функционала в синтезированных управляющих движениях в большом обороте назад на перекладине с ограничениями (1) и без ограничений (2) кинематического управления

Таблица 2. Прирост функционала в синтезированных управляющих движениях в большом обороте вперед на перекладине с ограничениями (1) и без ограничений (2) кинематического управления

Вычислительные эксперименты показали, что у всех испытуемых существует резерв дальнейшего технического совершенствования, позволяющий увеличить угол поворота первого звена биомеханической системы на 8-15% при оптимизации с кинематическими ограничениями и на 10-39% - при оптимизации без кинематических ограничений (табл. 1).

На рис. 1 в графическом виде представлен вклад управляющих движений в плечевых и тазобедренных суставах в формирование оптимальной техники оборота назад на перекладине с ограничениями кинематического управления для всех испытуемых.

Анализ рис. 1 показывает, что основная заслуга принадлежит сгибательным движениям как в плечевых, так и в тазобедренных суставах. Наибольший удельный вклад в формирование оптимальной техники упражнения в начальной фазе движения вносят сгибательные движения рук в плечевых суставах, а в заключительной фазе - сгибательные движения ног в тазобедренных суставах.

Вклад управляющих движений в плечевых и тазобедренных суставах в формирование оптимальной техники большого оборота назад на перекладине без ограничений кинематического управления представлен на рис. 2.

Анализ рис. 2 позволяет сделать вывод о том, что критерием качества выполнения упражнения может служить рационализация техники исследуемого упражнения, которая заключается в выполнении большего сгибательного движения рук в плечевых суставах на фоне меньшего сгибания ног в тазобедренных суставах.

В соответствии с вышерассмотренной схемой анализа и синтеза большого оборота назад на перекладине были проведены анализ и последующий синтез большого оборота вперед на перекладине. Результаты прироста функционала приведены в табл. 2.

Следует отметить, что процент прироста функционала у разных гимнастов варьируется в широких пределах. Данное замечание особенно актуально для большого оборота вперед на перекладине. Анализ результатов оптимизации (см. табл. 1, 2) позволяет сделать следующий вывод: процент прироста функционала дает возможность судить, насколько техническое мастерство конкретного исполнителя совершенно. Так, малый процент прироста свидетельствует о том, что техника большого оборота на перекладине у данного гимнаста более рациональна, чем техника упражнения у тех исполнителей, у которых процент прироста функционала больше. Техническая подготовленность гимнастов, имеющих в вычислительном эксперименте большой процент прироста функционала, далека от оптимальной, и эти спортсмены могут существенно улучшить свой спортивный результат, только совершенствуя кинематическую структуру упражнения в рамках своих силовых ресурсов.

Заключение. Проведенное исследование показало, что предварительно синтезированная в вычислительном эксперименте на ЭВМ оптимальная техника изучаемых упражнений способствует построению более рационального варианта выполнения упражнения. Даже высококвалифицированные гимнасты не полностью используют биодинамические ресурсы в совершенствовании своего технического мастерства.

Спортсмены имеют возможность улучшить кинематическую и динамическую структуру исследуемых упражнений на 10-22% только за счет рационализации сгибательно-разгибательных движений в суставах без увеличения своего силового потенциала. В случае отсутствия ограничений амплитуды сгибательно-разгибательных движений в суставах кинематическая и динамическая структура исследуемых упражнений в процессе оптимизации в вычислительном эксперименте на ЭВМ улучшается на 22-43%.

Рис. 1. Вклад управляющих движений в плечевых (А) и тазобедренных (В) суставах в формирование оптимальной техники оборота назад на перекладине с ограничениями кинематического управления

Рис. 2. Вклад управляющих движений в плечевых (А) и тазобедренных (В) суставах в формирование оптимальной техники оборота назад на перекладине без ограничений кинематического управления

1. Аксенов Е.М. Биодинамические исследования техники гимнастических упражнений на брусьях и методика обучения им: дис. ... канд. пед. наук: 13.00.04 / Е.М. Аксенов; ГДОИФК. - Л., 1969. - 200 с.

2. Алешинский С.Ю. Моделирование пространственного движения человека / С.Ю. Алешинский, В.М. Зациорский // Биофизика. - 1975. - Т. 20, № 10. - С. 1121 - 1126.

3. Алешинский С.Ю. Применение двусторонней стробоскопической стереофотосъемки при исследованиях движений человека / С.Ю. Алешинский, В.М. Зациорский, М.А. Каймин // Теория и практика физ. культуры. - 1977. - № 5. - С. 13 - 16.

4. Евсеев С.П. Изучение общих закономерностей техники гимнастических упражнений с помощью метода механо-математического моделирования / С.П. Евсеев, П.Г. Бордовский, А.Г. Конопелько // Техническая подготовка в современной спортивной гимнастике: сб. науч. тр. / под ред. С.А. Алекперова, Ю.И. Наклонова. - Л.: Изд-во ГДОИФК им П.Ф. Лесгафта, 1985. - С. 71 - 82.

5. Загревский В.И. Построение оптимальной техники спортивных упражнений в вычислительном эксперименте на ПЭВМ / В.И. Загревский, Д.А. Лавшук, О.И. Загревский. - Могилев: Могилев. гос. ун-т им. А.А. Кулешова, 2000. - 190 с.

6. Загревский В.И. Программирование обучающей деятельности спортсменов на основе имитационного моделирования движений человека на ЭВМ: автореф. дис. ... д-ра пед. наук / В.И. Загревский; ГЦОЛИФК. - М., 1994. - 48 с.

7. Зациорский В.М. Сравнительная биодинамика локомоций / В.М. Зациорский, С.Ю. Алешинский, Л.М. Райцин // Теория и практика физ. культуры. - 1977. - № 12. - С. 10 - 17.

8. Зинковский А.В. Проблема оптимального построения техники спортивных упражнений в спорте / А.В. Зинковский, И.А. Трофимова, В.А. Чистяков // Вопросы физического воспитания студентов: межвуз. сб. / под. ред. В.Е. Борилкевича. - Вып. 15. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1983. - С. 101 - 110.

9. Ипполитов Ю. А. Методы обучения гимнастическим упражнениям на основе их моделирования: дис. ... д-ра пед. наук / Ю.А. Ипполитов; ГЦОЛИФК. - М., 1988. - 362 с.

10. Назаров В.Т. Теоретическое и экспериментальное исследование программы двигательных действий в упражнениях на гимнастических снарядах: дис. ... канд. пед. наук / В.Т. Назаров; ГЦОЛИФК. - М., 1966. - 196 с.

11. Попов Г.И. Биомеханика: учебник для студ. высш. учеб. заведений / Г.И. Попов. - М.: Издательский центр "Академия", 2005. - 256 с.

12. Сучилин Н.Г. Педагогико-биомеханический анализ техники спортивных движений на основе программно аппаратного видеокомплекса / Н.Г. Сучилин, Л.Я. Аркаев, В.С. Савельев // Теория и практика физ. культуры. - 1996. - № 4. - С. 12 - 20.

13. Фураев А.Н. К вопросу о компьютеризации анализа выполнения спортивных упражнений / А.Н. Фураев // Теория и практика физ. культуры. - 1996. - № 11. - С. 50 - 52.