Среди приборов, применяемых в настоящее время для исследования техники спортивных движений, реакции организма спортсменов на определенную нагрузку, хорошо зарекомендовали себя тензометрические и радиотелеметрические устройства… В рамках этого обзора мы расскажем Вам о них, а также о прочих интересных разработках ВИСТИ и наших зарубежных исследователей…
Научно-исследовательский институт ВИСТИ.
Конечно же, планируя эту статью, мы не могли не рассказать Вам про эту организацию, ибо её вклад в нашу отечественную, спортивную науку просто огромен. ФГУП «Научно-исследовательский институт спортивно технических изделий» ВИСТИ фактически является первым и единственным в России узконаправленным государственным научным центром, имеющим аккредитацию Министерства образования и науки РФ по разработке спортивного оборудования, техники и инвентаря, а также судейско-информационных устройств и специализированных спортивных приборов. С момента появления этой структуры в нашей стране, а это произошло более 65 лет назад, спорт и наука – теперь едины и неразлучны. Это научно-исследовательское учреждение по сути является флагманом не только отечественной, но и мировой спортивной индустрии. Львиная доля инноваций, описанных в этом разделе, принадлежит авторам и разработчикам этого института…
Электротензометрия.
Большой опыт, накопленный учеными по применению электротензометрии в технике, используется исследователями в области спорта для изучения динамики и структуры спортивных движений, величины развиваемых усилий в статических положениях и в движении. Кроме того, с помощью электротензометрических методов изучается величина и особенности распределения усилий, прикладываемых в точках опоры на гимнастических снарядах, на борцовском ковре, в момент выполнения бросков шайбы хоккеистами. Электрические тензометры в зависимости от рода чувствительного элемента, воспринимающего и преобразующего измеряемую деформацию, подразделяются на:
- тензометры активного сопротивления,
- тензометры пьезоэлектрические,
- индуктивные,
- емкостные,
- фотоэлектрические,
- и прочие.
В спортивных исследованиях наибольшее применение нашли тензорезисторы, у которых изменяется электрическое сопротивление чувствительного элемента под действием измеряемой деформации. Тензорезисторы зарекомендовали себя как точные и надежные датчики. Наклеив их на твердую основу, можно в течение года произвести многократные изменения.
Измерения также осуществляются с помощью тензодатчиков, собранных по мостовой или по полумостовой схеме. Электрический сигнал при этом усиливается и подается на вход принимающего регистрирующего прибора — светолучевого осциллографа, милливольтметра или миллиамперметра, электронного осциллографа.
Особенностью электротензоизмерений в спорте является то, что в зависимости от задач исследования необходимо выбрать основу, на которую наклеиваются датчики. Основой могут быть металлические пластины, стержни, балки, кольца.
Методы и средства электротензометрии с каждым годом совершенствуются и позволяют изучать самые сложные и недоступные обычному визуальному наблюдению элементы спортивной техники и динамики мышечных сокращений. Совмещение измерительной цепи с устройствами вычислительной техники и ввод данных на компьютер обеспечивают высокое качество исследований и управления учебно-тренировочным процессом спортсменов.
В настоящее время нет специальных пособий по применению электротензометрии в спортивных исследованиях. В этом плане большую пользу может принести книга В. А. Шушкевича. В ней подробно освящаются основы теории и практики электротензометрии, весомое место отводится технике работы с тензорезисторами, даются практические рецепты по уходу за тензоаппаратурой.
В спортивной литературе приводятся схемы и методы применения электротензометрии в различных видах спорта. Электротензометрия широко используется в научных исследованиях в области спорта, однако в практике работы тренеров он еще не нашел должного применения. Этот метод наибольшее распространение получил при измерении усилий, развиваемых спортсменом в момент выполнения спортивных упражнений. В воднолыжном спорте для регистрации суммарных динамических характеристик движений спортсмена разработано тензометрическое устройство с использованием промышленной аппаратуры. Устройство состоит из следующих элементов: силоизмерителя, упругого стального кольца с наклеенными на него тензорезисторами. Запись от силоизмерительного элемента через усилитель производится на компьютерном самописце. Силоизмеритель крепится шарнирно одним концом к штанге, а вторым — к буксировочному фалу и ориентирован на горизонтальные деформации. Такое устройство позволяет получить объективные характеристики динамических усилий (в диапазоне от 0 до 300 кг) воднолыжников — прыгунов с трамплина, слаломистов и фигуристов.
Спортивная тензометрическая аппаратура.
В ВИСТИ разработана двухкомпонентная тензометрическая платформа с применением полупроводниковых тензорезисторов, что позволяет получать напряжение выходного сигнала 1 В. В этом случае запись динамограмм можно производить без усилителей постоянного тока. Платформа представляет собой разборную конструкцию, состоящую из внутренней и наружной рам, между которыми закреплены четыре тензодатчика. Вертикальную составляющую измеряют полупроводниковые тензорезисторы, наклеенные на горизонтальные плоскости, а горизонтальную — датчики, наклеенные на вертикальные плоскости.
Тензодинамометрическая установка регистрации усилий состоит из тензостенда, измеряющего усилия по трем координатам в пространстве, пульта управления, светолучевого осциллографа, источника постоянного тока (6…9 В). Установка собрана на фольговых тензодатчиках с повышенным коэффициентом чувствительности, что позволило получить ток в измерительной диагонали моста до 50…200 мкА (обычно получают ток до 15 мкА). Значение тока выше 50 мкА достаточно для раскачки шлейфа (гальванометра) светолучевого осциллографа.
Радиотелеметрия в спорте применяется для изучения деятельности сердечно-сосудистой системы, органов дыхания, биотоков мозга, скелетных мышц. В последние годы данный метод пиобрёл широкое распространение в исследовании техники спортивных движений, ритмовой структуры в циклических и ациклических локомоциях.
Для записи радиотелеметрических данных применяют различного класса осциллографы с фотоприспособлениями, а также магнитописцы и стрелочные самописцы. Для получения срочной информации в процессе проведения радиотелеизмерений используют приборы, дающие возможность визуально следить за характером изменения исследуемых величин. Записанные результаты измерений дешифрируются и обрабатываются. Результаты проведенной обработки оформляются в виде таблиц и графиков, характеризующих зависимости измеряемых величин от времени.
Значительное место в научных исследованиях, а в последние годы и непосредственно в учебно-тренировочном процессе занимает метод радиотелеметрической регистрации физиологических показателей и характеристик спортивной техники.
В тренировочном процессе широко используются радиокардиолидеры. Применение новейших электронных элементов позволяет выполнить такие приборы в миниатюрном виде, что отвечает специфическим требованиям спортивных исследований и тренировок (небольшие вес и размеры, автономность электропитания). В Петербургском Университете нашими разработчиками сконструирован миниатюрный автокардиолидер с дистанционным контролем. Прибор позволяет программировать ЧСС в пределах 130…180 уд/мин и телеметрически контролировать физическую нагрузку на этой частоте.
Автокардиолидер отличается высокой электрической и механической надежностью, помехоустойчивостью и термостабильностью. В схеме прибора использованы интегральные и гибридно-пленочные элементы, что позволило создать устройство с минимальными размерами. Автокардиолидер применяется для оптимизации тренировочного процесса спортсменов в легкой атлетике, велоспорте, плавании и т. д.
В настоящий момент в ходе проводимых научных исследований получили распространение системы, регистрирующие одновременно различные функции организма и опорно-двигательного аппарата. В институте биологического приборостроения России разработана четырехканальная радиотелеметрическая система для медико-биологических исследований спортсменов. Аппаратура предназначена для передачи электрокардиограмм, электромиограмм, частоты дыхания, а при использовании согласующих устройств для передачи сфигмограммы и пульсограммы. Практически приборы систем, укрепленные на теле спортсмена, позволяют передавать четыре любых сигнала во всех доступных частотных диапазонах (Wi-Fi, Bluetoth и прочие).
Для регистрации основных параметров внешнего дыхания и ЭКГ в лаборатории эргономики Свердловского института народного хозяйства разработана двухканальная радиотелеметрическая система. В качестве датчика использовался миниатюрный крыльчатый анемометр. Счетчик представляет собой магнитоэлектрический преобразователь с постоянным подмагничиванием. В устройстве используется комбинированная модуляция несущей. Сигнал ЭКГ передается по системе двойной частотной модуляции, а информация дыхательного комплекса накладывается на поднесущую, модулируя ее по амплитуде. В блоке «дыхание» регистрируются минутный объем и частота дыхания, в блоке «пульс» — ЧСС и суммарное значение пульса.
Возможность исследования и управления тренировочным процессом в естественных условиях с помощью радиотелеметрической аппаратуры существенно дополняет комплексные исследования работоспособности спортсменов в лабораторных условиях. Так, радиотелеметрические исследования, проведенные на велосипедистах в условиях гонок, показали, что во время гонки ЧСС колеблется от 140 до 220 уд/мин при частоте педалирования 60…120 об/мин. Во время снижения частоты педалирования до 50…80 об/мин независимо от профиля трассы (равнина, спуск, подъем) и соотношения передачи ЧСС падает до 150… 160 уд/мин. Установлено, что для высококвалифицированных гонщиков оптимальный темп педалирования велосипедистов находится в пределах 90… 120 об/мин при разных соотношениях передач.
С помощью радиотелеметрических приборов исследовалось воздействие упражнений на тренажерах на организм бегунов-спринтеров. Разработана классификация этих упражнений на основе изучения деятельности сердечно-сосудистой системы по пульсовым характеристикам. Выявлено, что выполнение регламентированных по структуре упражнений локального характера высокой интенсивности на тренажерных устройствах не вызывает значительных сдвигов в деятельности сердечно-сосудистой системы. На основании вышеуказанных исследований сформированы комплексы упражнений на тренажерных устройствах.
В беге важными характеристиками являются соотношения опорных и полетных фаз. С ростом квалификации время опоры уменьшается до 0,08…0,1 с, что красноречиво говорит о высоком уровне скоростно-силовых качеств атлета. Изучение ритмовой структуры бега на основе соотношения опорно-полетных фаз возможно также с помощью радиотелеметрии. Особый интерес представляет регистрация опорно-полетных фаз в беге с одновременной записью опорных реакций. Такой метод, в частности, применяет в исследованиях В. К- Бальсевич. В основу метода положено применение тензометрической системы и телеэлектрокардиографа. В этом случае передающее устройство представляет собой одностороннюю линию связи. Возникающие в результате разбаланса моста электрические импульсы, отражающие величину, характер и продолжительность опорных реакций в беге, подаются на вход модулятора частоты импульсного генератора передающего устройства. Затем сигналы с передатчика поступают на приемник, усиливаются и регистрируются на осциллографе. Такая радиотелеметрическая система позволяет оценить:
- характер, величину и продолжительность вертикальной составляющей усилий в отталкивании;
- время полетных и опорных интервалов;
- темп, скорость бега;
- ритм локомоторных движений.
Для регистрации опорно-полетных фаз в беге можно использовать аппаратуру, созданную на основе серийно выпускаемой системы «Спорт-4» с подключением цифровых измерителей временных интервалов с дальнейшей обработкой данных на быстродействующем цифровом устройстве.
Следует сказать, что в последние годы вопросы разработки и применения технических средств в спорте все больше интересуют специалистов и работников, задействованных в сфере физвоспитания и спорта. При этом в то же время значительная часть устройств пока еще создана в единственных экземплярах, что, несомненно, затрудняет их широкое внедрение в спортивную практику. Кроме того, сведения о созданных технических средствах и методах их применения не систематизированы и зачастую недоступны для практических работников. Всё это в значительной степени тормозит качественное улучшение и совершенствование учебно-тренировочного процесса и физического воспитания.
В настоящем цикле статей авторами сайта «фитнес и бодибилдинг по-русски» ставится задача восполнить и компенсировать в какой-то степени этот досадный пробел. В наших статьях приводятся конструкции тренажеров, приборов и тренировочных устройств, которые могут использоваться не только в фитнесе и бодибилдинге, но и других разнообразных спортивных дисциплинах, причем как в подготовке квалифицированных спортсменов, так и широким кругом любителей физической культуры и спорта.
