Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОСТРОЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКИХ ДЕЙСТВИЙ СПОРТСМЕНОВ 19
1.1. Системный подход в исследовании явлений и процессов,
основной понятийный аппарат 20
1.1.1 Элементы, связи, система 21
1.1.2 Системный подход к анализу построения техники двигательных действий 27
1.2. Внутренние и внешние силы, обеспечивающие решение
двигательной задачи 42,
1.2.1. Роль и значение мышечных сил в построении двигательных действий спортсменов 42,
1.2.2. Особенности проявления мышечных сил в различных условиях 48
1.3. Проблемы поиска, обоснования и прогнозирования
оптимальной биомеханической структуры спортивных
упражнений 52
ГЛАВА 2. ЗАДАЧИ И ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 58
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МОМЕНТОВ МЫШЕЧНЫХ СИЛ В ПЛЕЧЕВЫХ И ТАЗОБЕДРЕННЫХ СУСТАВАХ У
ГИМНАСТОВ РАЗЛИЧНОГО ВОЗРАСТА 80
3.1. Характеристика моментов мышечных сил в статическом
и динамическом режимах работы мышц в плечевых и
тазобедренных суставах у гимнастов 7-13 лет 81
3.2. Характеристика моментов мышечных сил в статическом и динамическом режимах работы мышц в плечевых и тазобедренных суставах у гимнастов 18-25 лет 95
3.3. Силовые показатели мышц-сгибателей и разгибателей плеч и бедер у юных (7 -13 лет) и взрослых (18 -25 лет) гимнастов 104
ГЛАВА 4. МЕТОДОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНИКИ
ДВИГАТЕЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЙ ГИМНАСТОВ НА
ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.. 112
4.1. Коридор варьирования управляющих функций 112
4.2. Экспериментальная проверка эффективности различных методов оптимизации техники спортивных упражнений в вычислительном эксперименте на ПЭВМ 122
4.3. Задание первоначальной траектории программного управления в вычислительных экспериментах построения оптимальной техники спортивных упражнений 129
ГЛАВА 5. ТРАНСФОРМАЦИЯ ТРАЕКТОРИИ БИОМЕХАНИЧЕС
КОЙ СИСТЕМЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИЗМЕНЕНИЯ
ВЕЛИЧИНЫ МАСС-ИНЕРЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИС
ТИК МОДЕЛИРУЕМОЙ БИОСИСТЕМЫ 138
5.1. Величины управляющих моментов мышечных сил в суставах спортсмена, формирующих траекторию движения (движение с сохранением динамической осанки) на фоне различных МИХ звеньев биомеханической системы 141
5.2. Влияние различных МИХ звеньев тела спортсмена на траекторию биомеханической системы в условиях отсутствия сгибательно-разгибательных движений в суставах 144
5.3. Траектория биомеханической системы с константным
программным управлением кинематического уровня 147
5.3.1. Закономерности построения траектории движения трехзвенной системы на модели стержней с изменением МИХ и константным программным управлением кинематического уровня 148
5.3.2. Закономерности построения траектории движения трехзвенной модели гимнаста с изменением МИХ и константным программным управлением кинематического уровня 152
5.3.3. Закономерности построения траектории движения трехзвенной модели гимнаста с изменением МИХ (антропометрических показателей звеньев тела спортсмена) и константным программным управлением кинематического уровня 157
5.4. Влияние изменения уровня силового потенциала
спортсмена на построение техники движения 161
ГЛАВА 6. ТРАНСФОРМАЦИЯ ТРАЕКТОРИИ БИОМЕХАНИЧЕС
КОЙ СИСТЕМЫ В ОБОРОТОВЫХ УПРАЖНЕНИЯХ В
ЗАВИСИМОСТИ ОТ СКОРОСТИ 175
6.1. Оборотовое движение с динамической осанкой при разных скоростях вращения биомеханической системы 175
6.2. Трансформация траектории биомеханической системы в зависимости от начальной скорости вращательного движения 181
ГЛАВА 7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛАВНЫХ И КОРРЕКТИРУЮЩИХ УПРАВЛЯЮЩИХ ДВИЖЕНИЙ МЕТОДОМ ЛОКАЛЬ-
НО-ГЛОБАЛЬНЫХ ВАРИАЦИЙ В ПРОСТРАНСТВЕ
УПРАВЛЕНИЙ 190
7.1. Синтез движения при эквивалентных раздельных и
совместных сгибательно-разгибательных движениях в
суставах 196
7.1.1. Построение оптимального управления при сгибательных движениях в плечевых суставах 196
7.1.2. Синтез движения с эквивалентным сгибанием ног в тазобедренных суставах 197
7.1.3. Синтез движения при эквивалентных совместных сгибательно-разгибательных движениях в суставах 200
7.2. Эффективность коррекции движения управляющих
воздействий в различных суставах 203
7.2.1. Оптимальная траектория и оптимальное управление при совместных сгибательно-разгибательных движениях с заданными ограничениями на динамические ресурсы исполнителя без ограничений на кинематическую структуру управления 204
7.2.2. Оптимальная траектория к оптимальное управление при совместных сгибательно-разгибательных движениях в условиях недостаточности динамических ресурсов исполнителя без ограничений на кинематическую структуру управления 207
ГЛАВА 8. БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МАХО
ВЫХ ДВИЖЕНИЙ ГИМНАСТА В УПОРЕ 214
8.1. Биомеханика сгибательно-разгибательных движений
спортсмена в суставах в условиях отсутствия действия
силы тяжести 216
8.2. Математическое моделирование движений гимнаста на
ЭВМ в условиях действия силы тяжести 227
8.2.1. Траектория ОЦМ гимнаста в зависимости от скорости разгибания рук в плечевых суставах 228
8.2.2. Траектория ОЦМ гимнаста в зависимости от скорости сгибания ног в тазобедренных суставах 230
8.2.3. Траектория ОЦМ гимнаста в зависимости от скорости вращения рук 232
8.2.4. Моменты мышечных сил в плечевых и тазобедренных суставах в зависимости от скорости изменения углов в суставах 234
ГЛАВА 9. АНАЛИЗ ТЕХНИКИ ДВИЖЕНИЙ ВЫПОЛНЯЕМЫХ
МАХОМ ВПЕРЕД В УПОРЕ НА БРУСЬЯХ 238
9.1. Техника схода 239
9.2. Техника второй опорной фазы сальтовых упражнений 249
9.3. Оборот назад под жердями в стойку на руках с прямыми руками и подъем дугой в упор 260
9.3.1. Первая опорная фаза 261
9.3.2. Вторая опорная фаза 267
ГЛАВА 10. ГЛАВА 9. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИКИ
ГИМНАСТИЧЕСКИХ УПРАЖНЕНИЙ В СВЯЗИ С ИХ
БИОМЕХАНИЧЕСКИМИ ОСОБЕННОСТЯМИ 273
10.1. Содержание и методика исследования эффективности различных режимов мышечной деятельности в структуре специальной физической подготовки гимнастов 275
10.2. Методика обучения гимнастов обороту назад под жердями в стойку на руках 281
10.2.1. Содержание и методика специальной силовой
подготовки гимнастов 282
10.2.2. Содержание и последовательность применения
подводящих упражнений 286
ОБСУЖДЕНИЕ МАТБРИАЛОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 291
ВЫВОДЫ 311
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 317
ПРИЛОЖЕНИЕ 349
Введение к работе
Актуальность исследования. Среди многих проблем повышения эффективности процесса обучения спортивным упражнениям одно из центральных мест занимает поиск наиболее совершенных вариантов двигательных действий. Спортивная техника обусловлена структурой движения и уровнем развития физических качеств спортсмена, которые обеспечивают решение двигательной задачи.
До последнего времени исследования, проводимые в области исследования техники спортивных упражнений, выполнялись, в основном, по схеме биомеханического анализа, то есть сводились к изучению уже известных форм спортивных упражнений на основе данных оптической регистрации движений. Кино-фотоматериалы двигательных действий спортсмена подвергались тщательному биомеханическому исследованию и, в дальнейшем, на основании полученных данных о кинематической и динамической структуре исследуемого движения, делался вывод об эффективности тех или иных вариантов техники упражнения. Подобный подход, решения проблемы биомеханического обоснования организации рациональной структуры 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. И здесь уместно отметить определенную ограниченность данного подхода, заключающуюся уже в том аспекте рассматриваемой проблемы, какое место занимает научное исследование в методологической цепочке взаимосвязи науки и практики: первоначально на практике осваивается какое-либо движение, а лишь затем оно подвергается биомеханическому анализу.
В настоящее время запросы практики спортивной деятельности требуют принципиально иного подхода в области теории построения движе
ний: недостаточно ограничиваться анализом уже известных форм движений, а необходимо разрабатывать технику упражнений с заранее указанны-ми качествами и требуемыми свойствами. Методологическая цепочка взаи- ,г- ,...- мосвязи науки и практики выглядит в этом случае следующим образом: биомеханический синтез исследуемого движения - биомеханический анализ - выводы и практические рекомендации - освоение движения. Отсюда следует, принципиально важная, на наш взгляд, трансформация роли научного исследования в процессе обучения двигательным действиям: вместо констатирующего фактора научное исследование выполняет функцию прогноза, с активным участием непосредственно в учебно-педагогическом и тренировочном процессах.
Метод математического моделирования движений человека на ПЭВМ является в настоящее время практически единственным инструментом исследований, позволяющим синтезировать движения человека с заранее заданными свойствами. Однако реализация на практике этого, весьма перспективного, направления научного поиска сдерживалась до последнего времени рядом факторов, в частности, таких как:
? высочайшая сложность используемого механико-математического аппарата;
? методологическая фрагментарность разработки проблемы построения математических моделей синтеза движений биомеханических систем;
? трудоемкость создания программного продукта для ПЭВМ.
С появлением современных ЭВМ и последними достижениями в области биомеханики, механики управляемого тела, оптимального управления и программирования возникла возможность практической реализации идеи имитационного моделирования движений человека на ЭВМ.
Следует отметить, что в настоящее время уже выполнен ряд высокотехнологичных исследований в области теории построения движений чело
века, в которых успешно использовался метод математического моделирования движений спортсмена на ЭВМ [107, 108, 114, 131, 139, 141, 142, 145, 156, 159, 162, 180, 254], но многие вопросы, как теоретического характера, так и практического приложения метода математического моделирования движений биомеханических систем, еще ждут своего решения.
В связи с этим актуальность данной проблемы в спортивной гимнастике обусловлена тем что:
? Предметом соревновательной оценки является техника гимнастических упражнений.
? Техника гимнастических упражнений постоянно совершенствуется, видоизменяется, модифицируется.
Появляются новые, ранее не исполнявшиеся упражнения, не имеющие биомеханического обоснования их рациональной структуры.
На сегодняшний день в спортивной педагогике отсутствует общепринятая методология построения оптимальной техники спортивных упражнений, основанная на современных достижениях теоретической мысли, а не на эмпирическом методе «проб и ошибок». Поэтому, достаточно часто, теория спорта не в состоянии дать аргументированные ответы на многие вопросы спортивной практики. Подтвердим данный тезис, например:
? каким образом изменится траектория звеньев тела спортсмена если силовой потенциал исполнителя или его масса увеличится (уменьшится) на 10%, 30% и т.д.?
? каковы критерии, определяющие качество и рациональность построения спортивной техники и что необходимо изменить в кинематической структуре упражнения с целью ее оптимизации?
В этой связи большие перспективы, связанные с решением подобных задач, мы видим в использовании метода имитационного моделирования движений человека на ЭВМ, позволяющего не только конструировать тех
нику сильнейших исполнителей, но и прогнозировать ее рациональные варианты с заданными свойствами.
Объектом исследования являлось совершенствование учебно-тренировочного процесса гимнастов на основе экспериментальных материалов построения оптимальной техники спортивных упражнений.
Предметом исследования - построение рациональной техники гимнастических упражнений в имитационном моделировании движений человека на ПЭВМ.
Цель исследования состояла в экспериментальном и теоретическом исследовании биомеханики управляющих движений спортсмена при различных условиях работы мышц и выявлении основных закономерностей в формировании рациональной биомеханической структуры в гимнастических упражнениях.
Гипотезой исследования явилось предположение о том, что использование в тренировочном процессе выявленных биомеханических закономерностей построения техники гимнастических упражнений может значительно повысить эффективность процесса обучения как в плане улучшения качества исполнения упражнений, так и в аспекте сокращения времени, затрачиваемого на обучение.
Методологическую основу исследования составляют: универсальное учение П.К.Анохина [17] о функциональной системе; теория построения движений Н.А.Бернштейна [26]; системный подход изучения исследуемых процессов (целостное рассмотрение объекта с установлением связей между элементами системы); теоретические положения о взаимосвязи обучения и воспитания; концепция ведущих элементов двигательных действий и построения целенаправленных движений человека (методы оценки роли суставных движений, динамическая осанка, главные и корректирующие управляющие движения, формализация цели движений человека, формирование программного управления на кинематическом и динамическом уровнях в
математических моделях синтеза движений человека на ПЭВМ).
Научная новизна исследования заключается в том что, развита теория системного подхода в вопросах кинематики и динамики движений биомеханических систем.
Определены способы задания программного управления в математических моделях синтеза движений человека в табличной форме и представленные в аналитическом виде.
• В результате биомеханического исследования были определены критерии, характеризующие уровень силовой подготовленности гимнастов, необходимый для качественного освоения конкретных гимнастических упражнений.
? Экспериментально установлены величины моментов мышечных сил в плечевых суставах у гимнастов различного возраста, при различных углах между звеньями тела. Показано, что закономерность изменения величины мышечных сил в зависимости от значений суставных углов типична как для гимнастов младшего, так и старшего возрастов. Однако гимнасты старшего возраста в 1,8 — 2,2 раза сильнее гимнастов младшего возраста по показателям силовых качеств мышц сгибателей и разгибателей плеч в статическом режиме.
? Впервые определена зависимость между скоростью изменения угла в плечевых суставах и величинами моментов мышечных сил.
? Экспериментально найденные величины моментов мышечных сил в динамическом режиме работы мышц, сопоставленные с расчетными при выполнении различных упражнений, позволили выявить степень использования двигательного потенциала спортсменов в исследуемых упражнениях.
? Впервые представлена в математической форме зависимость «сила-угол», «сила-скорость», что позволяет унифицировать программное обеспечение решения задач построения оптимальной техники спортивных упражнений в вычислительных экспериментах на ПЭВМ.
? Выявлена эффективность построения оптимального управления в биомеханических системах каждым из методов локально-глобальных вариаций в пространстве управлений и показано, что только комплексное использование всех методов наиболее эффективно решает цель вычислительного эксперимента.
? Впервые в вычислительных экспериментах на ПЭВМ выявлено, что движение биомеханической системы, совершающей вращательное движение с константным программным управлением кинематического уровня независимо от изменения МИХ (масса и центральный момент инерции звеньев тела) происходит по одной и той же траектории с приходом в одно и то же конечное положение за одно и то же время. Показано, что при увеличении МИХ звеньев моделируемой системы, значения управляющих моментов мышечных сил в суставах, реализующих заданное программное управление, увеличиваются. Временно-силовая структура управляющих моментов сил как в проксимальном, так и дистальном суставах, независимо от величины изменения МИХ, является типичной.
? Уставлены закономерности техники спортивных упражнений в зависимости от варьирования следующих параметров:
- антропометрических показателей (длина) звеньев тела спортсмена при неизменных масс-инерционных характеристиках во вращательных движениях;
- от уровня силового потенциала спортсмена;
- от начальной скорости вращения моделируемой биосистемы;
- от траектории задаваемого программного управления.
Показано, что чем больше требуются скорости вращения тела в полетной фазе упражнений, выполняемых махом вперед из упора, тем ближе траектория общего центра масс тела (ОЦМ) гимнаста к опорной вертикали, тем больше сохраняется величина кинетического момента относительно ОЦМ тела спортсмена.
? Выявлены общие закономерности перемещения звеньев тела спортсмена в зависимости от скорости изменения суставных углов. Показано, что в отличие от маховых упражнений на перекладине, где уменьшение угла в тазобедренных суставах приводит к уменьшению расстояния ОЦМ от опоры, аналогичные действия спортсмена при выполнении упражнений махом вперед из упора на брусьях удаляют ОЦМ от опоры.
? Установлено, что чем больше требуется скорость вращения тела в безопорном положении, тем больше должны быть скорости изменения углов в плечевых и тазобедренных суставах и тем больше скорость вращения рук назад за вертикаль. Выявлено, что чем больше скорость сгибания ног в тазобедренных суставах, после прохождения ОЦМ гимнаста вертикали внизу, тем больше нагрузка на мышцы, обеспечивающие это сгибание, и тем меньше на мышцы разгибатели плеч.
Теоретическое значение исследования для теории спортивной тренировки заключается в следующем:
- во-первых, экспериментально определенный уровень силовых способностей спортсменов различного возраста позволяет использовать эти данные в решении задачи построения оптимальной спортивной техники;
- во-вторых, прогнозировать спортивный результат на основе данных о МИХ звеньев тела спортсмена и уровня развития двигательных качеств, а также по данным МИХ звеньев тела исполнителя и его силовых ресурсов строить оптимальную технику спортивных упражнений;
- в-третьих, синтезировать индивидуальную спортивную технику в вычислительном эксперименте на ПЭВМ с учетом МИХ звеньев тела спортсмена и уровня его физической подготовленности, что невозможно выполнить в натурном эксперименте; і
- в-четвертых, прогнозировать динамику спортивных результатов (или модификацию техники спортивных упражнений) в зависимости от из
менения веса спортсмена и динамики изменения уровня силовых качеств исполнителя.
- В-пятых, предварительно вычисленная оптимальная техника изучаемого упражнения может служить эталоном для коррекции движений спортсмена в учебно-тренировочном процессе.
Практическая значимость работы заключается в:
- методике и результатах определения моментов мышечных сил в суставах спортсмена;
- методике построения техники двигательных действий гимнастов на основе исследования биомеханических характеристик спортивных упражнений на основе имитационного моделирования движений спортсмена на ЭВМ;
- оптимизации процесса управления физической подготовкой гимнастов с использованием экспериментально обоснованных средств и методов специальной силовой подготовки;
- появлении возможности разработки программируемых тренажерных устройств, осуществляющих проводку гимнаста по эталонной траектории движения, вычисляемой индивидуально для каждого спортсмена.
Разработанные рекомендации автора применимы при подготовке гимнастов различного масштаба, внедрены в практику подготовки членов сборных команд регионов и страны. Это нашло отражение в научных и учебно-методических публикациях и подтверждается актами внедрения.
Результаты исследования автора изложены в учебном пособии для факультетов физической культуры педуниверситетов, в монографии и основные результаты исследования могут быть использованы в теоретическом и практическом разделах курса частных спортивных дисциплин (биомеханика, гимнастика, акробатика).
Апробация исследования. Результаты исследования освещены в 53 научных работах, представлены и доложены на Всесоюзных научных конфе
ренциях "Проблемы биомеханики спорта" (Каменец-Подольский, 1981; Москва, 1987, Чернигов, 1989), региональной научно-практической конференции "Пути и методы повышения эффективности физического воспитания в вузе (Томск, 1983), Всесоюзной школе по биомеханике трудовых и спортивных движений (Минск, 1986), Всероссийском научно-методическом совещании по итогам внедрения комплексных планов организации НИРС на весь период обучения в вузах Минвуза РСФСР (Томск, 1985), Всесоюзной научно-технической конференции "Электроника и спорт -IX" (Москва, 1988), Всесоюзной научно-практической конференции "Компьютер в школе и пединституте" (Одесса, 1989), Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы физического воспитания детей и учащейся молодежи" (Томск, 1990), Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы высшего образования в связи с ускорением НТП в условиях демократизации управления" (Новосибирск, 1990), 1 Всероссийской конференции-ярмарке "Биомеханика на защите жизни и здоровья человека" (Нижний Новгород, 1992), Международном семинаре "Двигательная активность учащейся молодежи" (Томск, Россия, 1992), УІ областной научно-практической конференции "Новые информационные технологии в учебном процессе и управлении" (Омск, 1989), научно-практической конференции "Компьютеризация учебного процесса в ВУЗе" (Томск, 1991), на научно-практических конференциях по проблемам физической культуры и спорта (Архангельск, 1988: Барнаул, 1988; Кустанай, 1989; Томск, 1987, 1988, 1989; Тула, 1988), на научных семинарах кафедры гимнастики БГИФК (Минск, 1987), ГДОИФК им.П.Ф.Лесгафта (Ленинград, 1990, 1991), ТГПИ (Томск, 1992), на научно-методических итоговых конференциях профессорско-преподавательского состава ТГПИ (Томск, 1983-2000).
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:
1. Максимальные величины мышечных сил в плечевых и тазобед
ренных суставах спортсменов существенным образом зависят от значений и скорости изменения суставных углов: при уменьшении длины мышц значения показателей максимальной силы уменьшаются; при увеличении скорости изменения суставных углов значения показателей максимальной силы уменьшаются. По относительной силе взрослые гимнасты в среднем в 2-2,3 раза сильнее юных гимнастов.
2. Применение метода локально-глобальных вариаций в кинематическом пространстве управляющих функций позволяет синтезировать оптимальную технику спортивных упражнений на ПЭВМ.
3. Вычислительные эксперименты на ПЭВМ позволили выявить ряд новых, неизвестных ранее в теории и методике физического воспитания закономерностей, связанных с изменением масс-инерционных характеристик (МИХ) звеньев тела спортсмена и его силовыми ресурсами на формирование техники изучаемых упражнений.
4. Обучение упражнениям с полетной фазой, требующим предельных мышечных усилий гимнастов, целесообразно проводить в следующей последовательности: специальная силовая подготовка спортсменов до уровня, требуемого для выполнения контрольных нормативов; освоение рабочих положений, навыков динамической осанки в висах и упорах; овладение главными управляющими движениями; освоение элемента в целом.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, десяти глав, выводов, обсуждения результатов исследования-практических рекомендаций, списка литературы и приложения. В первой главе рассматриваются вопросы изучаемой проблемы. Во второй раскрываются задачи, методы и организация исследования. В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования моментов мышечных сил в плечевых и тазобедренных суставах гимнастов различных возрастных и квалификационных групп. В 4-9 главах приводятся результаты математического моделирования двигательных действий гимнастов на гимнастических сна
рядах. Десятая глава отражает результаты экспериментальной проверки эффективности применения выявленных закономерностей построения техники двигательных действий гимнастов в учебно-тренировочном процессе. Каждая глава завершается частными выводами.
Работа изложена на 352 страницах машинописного текста, содержит 38 таблиц, 101 рисунок и приложение. Список литературы содержит 349 работ, в том числе 15 на иностранных языках.
