Оптимизация техники гимнастических упражнений на основе данных имитационного моделирования двигательных действий
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 - вы/воды/ 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 - вы/воды/ 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 ставилась 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 международного 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:
- 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.
- 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.
- Направленность кинематического сгибания в суставах не всегда соответствует направленности приложения спортсменом мышечных усилий .
- В упражнениях со сформированным двигательным навыком амплитуда сгибательно-разгибательных движений в плечевых и тазобедренных суставах в среднем на 6-10О меньше, чем в упражнениях с поставленной двигательной задачей.
- 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.
- 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.
- В больших оборотах назад со сформированным двигательным навыком максимальное кинематическое управление в плечевых суставах составляет 37o, в тазобедренных - 23o.
- В больших оборотах вперед со сформированным двигательным навыком максимальное кинематическое управление в плечевых суставах составляет 40o, в тазобедренных суставах - 30o.
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
Номер исполнителя |
Прирост функционала 1,градус |
Прирост функционала 2, градус |
Прирост 1,% |
Прирост 2, % |
1 |
22,94 |
27,56 |
12,67 |
15,22 |
2 |
14,69 |
37,99 |
7,89 |
20,40 |
3 |
26,81 |
56,26 |
14,69 |
30,83 |
4 |
19,88 |
48,06 |
11,02 |
26,65 |
5 |
17,48 |
19,46 |
9,32 |
10,38 |
6 |
14,08 |
18,55 |
8,33 |
10,98 |
7 |
21,92 |
76,66 |
11,22 |
39,22 |
Среднее значение, Х±пл |
19,69±1,74 |
40,65±8,03 |
10,74±0,92 |
21,96±4,09 |
Таблица 2. Прирост функционала в синтезированных управляющих движениях в большом обороте
Номер исполнителя |
Прирост функционала 1,градус |
Прирост функционала 2, градус |
Прирост 1,% |
Прирост 2, % |
1 |
33,45 |
51,64 |
17,51 |
27,03 |
2 |
29,22 |
73,59 |
15,17 |
38,20 |
3 |
8,07 |
80,41 |
4,31 |
42,97 |
4 |
65,06 |
80,86 |
34,97 |
43,46 |
5 |
1,51 |
11,83 |
0,76 |
5,94 |
6 |
25,55 |
128,27 |
13,71 |
68,82 |
7 |
128,93 |
130,75 |
70,18 |
71,17 |
Среднее значение, Х±пл |
41,68±16,46 |
79,62±15,73 |
22,37±8,98 |
42,51±8,61 |
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 сги-бательного 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
Литература
- 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.
- Алешинский СЮ. Моделирование пространственного движения человека /С.Ю. Алешинский, В.М. Зациорский // Биофизика. - 1975 - Т. 20, № 10. - С. 1121-1126.
- Алешинский С.Ю. Применение двусторонней стробоскопической стереофотосъемки при исследованиях движений человека / С.Ю. Але-шинский, В.М. Зациорский, М.А. Каймин // Теория и практика физ. культуры!. - 1977. - № 5. - С. 13-16.
- 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.
- ЗагревскийВ.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.
- 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.
- 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.
- Зинковский А.В. Проблема оптимального построения техники спортивных упражнений в спорте / А.В. Зинковский, И.А. Трофимова, А. Чистяков // Вопросы физического воспитания студентов: межвуз сб. / под. ред. В.Е. Борилкевича. - Вып. 15. - Л.: Изд-во ЛГУ 1983. - С 101-110.
- Ипполитов Ю. А. Методы обучения гимнастическим упражнениям на основе их моделирования: дис. . д-ра пед. наук / Ю.А. Ипполитов ГЦОЛИФК. - М., 1988. - 362 с.
- Назаров В.ТТеоретическое и экспериментальное исследование программы двигательных действий в упражнениях на гимнастических снарядах: дис. ... канд. пед. наук / В.Т. Назаров; ГЦОЛИФК. - М. 1966. - 196 с.
- Попов Г.И. Биомеханика: учебник для студ. высш. учеб. заведений / ГИ. Попов. - М.: Издательский центр «Академия» 2005. - 256 с.
- 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 физкультуры. - 1996. - № 4. - С. 12-20.
- Фураев А.Н. У вопросу о компьютеризации анализа выполнения спортивных упражнений / А.Н. Фураев // Теория и практика физ. культуры!. - 1996. - № 11. - С. 50-52.