Внешние и внутренние пространственные координаты и виды движений тела спортсмена

Изменение движения происходит в пространстве, а пространство описывается в определенных системах отсчета. Например, спортсмен перемещается по дистанции от старта до финиша. Судейская коллегия производит отсчет его движений от старта до финиша. Для того чтобы упорядочить представления об окружающем пространстве, вводятся определенные системы пространственных координат. Существуют различные системы координат — прямоугольные, косоугольные, сферические и др. Различают координаты плоские и пространственные. Плоские позволяют фиксировать положение точки на плоскости, пространственные — в пространстве. Для определения точки в плоских координатах достаточно двух цифр (долгота и высота). Для определения ее в пространстве — трех. Изучение движений биомеханической системы тела человека чрезвычайно затруднено ввиду сложного пространственного расположения его многочисленных частей в различные моменты времени. Можно описать его движения только для одной плоскости (например, сагиттальной), но тогда многие двигательные механизмы большинства локомоторных актов остается не изученными, а общая картина движений будет искажена.

Движение любой точки тела спортсмена только тогда следует считать установленным, когда известен способ определения ее положения в любой момент времени, в любой плоскости изучаемого пространства. Для объективного изучения характеристики движений спортсмена необходимо каким-то образом моделировать его тело.

Существует три способа определения движения тела спортсмена как материальной точки: естественный, координатный и векторный.

При этом используют такие кинематические характеристики движения:

1) траектория;

2) скорость;

3) ускорение;

4) форма движения точки (прямолинейная, криволинейная).

Если же анализируется движение тела как системы материальных точек, то используют такие ее характеристики: 

1) форма движений (по форме движение может быть поступательным, вращательным или сложным);

2) скорость;

3) ускорение (рассматриваются и сопоставляются характеристики движения различных точек системы).

Второй способ моделирования позволяет получить более полное представление о движении тела человека. Определить положение тела спортсмена в пространстве, используя этот способ, означает установить места его точек в пространстве относительно выбранной системы координат с учетом времени. Однако эта проблема усложняется тем, что биозвенья его двигательной системы перемещаются по самостоятельным траекториям и занимают в пространстве определенное место относительно всего тела. При изучении спортивной техники часто возникает необходимость определить не столько положение всего тела спортсмена в пространстве, сколько относительное взаиморасположение отдельных его элементов и биозвеньев. Чтобы определить пространственное расположение материальных точек тела спортсмена, необходимо принять определенную систему отсчета для измерения кинематических характеристик сложных движений. Такая система отсчета должна базироваться на определенной системе координат, объективно отражать кинематику отдельных биозвеньев и всего тела. При ее практическом использовании должны учитываться правила антропометрии и материалы биомеханической классификации двигательного аппарата человека.

Законы механики объективно и удобно применимы для биомеханики тогда, когда движение тела спортсмена рассматривается в так называемой инерциальной системе координат. Так как абсолютно неподвижной системы координат практически нет, инерциальную координатную систему для тела человека можно считать условно неподвижной системой отсчета. Такой системой может быть географическая координатная система отсчета, представляющая собой прямоугольный трехгранник, вершина которого совпадает с точкой земной поверхности, где в данный момент находится человек, одна ось направлена по касательной параллели на восток, вторая — по касательной к меридиану на север, а третья — по вертикали в зенит.

Географический инерциальный трехгранник обязательно должен быть связан с координатной системой человека, чтобы можно было определить истинную ориентацию всех частей и биозвеньев его тела. В качестве координатной системы спортсмена может быть предложен трехгранник, базой которого являются основные анатомические образования и антропометрические точки тела. В подобной системе покоящиеся тела не испытывают действия сил, значит, в ней ни одно движение не начинается без действия силы.

Другие тела движутся с ускорениями, которые существенно влияют на решение данной задачи, это — неинерциальные системы отсчета (скользящая лыжа, раскачивающиеся кольца). В таких случаях способы расчета и объяснения особенностей движений уже иные, что надо обязательно учитывать.

Система биозвеньев позвоночного столба человека во фронтальной плоскости в норме соответствует направлению истинной пространственной вертикали. Ось симметрии проходит через фронтальную плоскость тела в районе пупка спереди, пятого поясничного позвонка сзади и пересекает вертикаль в области пятого поясничного позвонка. В этой же области расположен общий центр масс тела человека в том случае, когда человек находится в положении антропометрической стойки. Данный участок представляет собой своеобразный геометрический центр симметрии основных масс тела спортсмена.

Наиболее удобным местом размещения центра соматического координатного трехгранника в этой связи является антропометрическая поясничная точка, расположенная на вершине остистого отростка позвонка L5 (Лапутин, 1986). В этом случае числовая координатная ось Z соответствует направлению истинной вертикали, оси X и Y располагаются под прямым углом в горизонтальной плоскости и соответствуют сагиттальному (Y) и фронтальному (X) направлениям (рис. 7.1).

Следует заметить, если спортсмен находится в общепринятом для антропометрических измерений положении, то соматическая система координат будет так же, как и географическая, являться условно инерциальной системой. Поэтому определить координаты любой точки тела относительно двух данных систем в таком его положении практически нетрудно.

Применение соматической системы отсчета создает удобный переход от инерциальной системы к неинерциальной при перемещениях тела с ускорением. Тогда соматическая система, где определено исходное положение тела, преобразуется из инерциальной в неинерциальную, в которой значительно проще определить относительное движение биозвеньев. В дальнейшем, в случае необходимости, можно определить и абсолютные движения отдельных точек и биозвеньев в практически любой другой системе отсчета.

При использовании соматической системы отсчета появляется возможность применения так называемой пространственной антропометрии — определения любой (антропометрической) точки в пространстве с помощью координатного метода.

Декартова система координат на плоскости состоит из двух взаимоперпендикулярных осей — абсцисс (X) и ординат (Y). Декартовой же системой координат в пространстве считается упорядоченная тройка попарно перпендикулярных осей координат с одним общим началом координат О на каждой из них и с одним и тем же масштабным отношением у всех осей. Для определения координат любой точки исследуемых пространственных фигур биозвеньев необходимо использовать три числовые оси: X (абсцисс), Y (ординат) и Z (аппликат). При этом положительная полуось X должна совмещаться с положительной полуосью Y вращением на 90° против часовой стрелки, если смотреть с положительной полуоси 0Z. В результате построения трех координатных осей в пространстве можно различить координатные плоскости, которые проходят через две какие-либо координатные оси.

Координатный метод позволяет определить положение на плоскости и в пространстве не только отдельных точек, но и различных линий и поверхностей, которыми могут быть, в частности, очертания частей тела, поверхности лица, туловища, конечностей и т.д. Все эти сложные плоские или пространственные фигуры могут быть заданы с помощью чисел или числовых соотношений, над которыми можно производить практически любые алгебраические операции.

Кроме прямоугольной декартортовой координатной системы для определения пространственных характеристик тела человека, можно применять и так называемую косоугольную систему координат, в которой числовые оси пересекаются не только под прямым углом.

На этом возможности координатного метода не исчерпываются. В некоторых случаях целесообразно применять полярную и сферическую системы координат на плоскости и в пространстве.

Во многих случаях целесообразно вводить одновременно прямоугольные, полярные и сферические координатные системы, это позволяет решать разнообразные пространственные задачи в антропометрии и биомеханике.

При рассмотрении биомеханических эргогенных средств целесообразно проанализировать основные биомеханические особенности различных видов движений всего тела человека. Так, в биомеханике среди них выделяют движения без перемены места, в числе которых имеются движения, изменяющие только позу и положение. При этих движениях происходит перемещение общего центра масс тела в горизонтальном или вертикальном положении. Обычно при этих движениях изменяются условия равновесия тела спортсмена.

В биомеханике выделяют особый вид движений — локомоции (от латинских слов locus — место и motio — движение).

По структуре движений локомоции человека можно разделить на циклические и ациклические.
В практике спорта внимание специалистов привлекает большое количество вращательных движений. Вращательные движения всего тела в пространстве представляют собой основу спортивной гимнастики, акробатики и др.

Для создания вращательного движения необходима сила, направление которой не параллельно оси вращения и не проходит через ось вращения. Такая сила, проходящая на некотором расстоянии от оси вращения, образует момент вращения.

В спортивной технике встречается большое количество сложных движений, при которых тело движется поступательно и в то же время вращается вокруг одной из осей, проходящей через центр его тяжести. Типичными сложными движениями спортсмена являются акробатическое сальто, метание молота и диска с поворотом, пируэты и волчки в фигурном катании, прыжки в воду с вращениями и др.