8 ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования. Среди многих проблем повышения эффективности процесса обучения спортивным упражнениям одно из центральных мест занимает поиск наиболее совершенных вариантов двига-
т тельных 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
ф 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 ме-
^ тодологической 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- , , f ми качествами и требуемыми свойствами. Методологическая цепочка взаи- е^< "-¦ < мосвязи науки и практики выглядит в этом случае следующим образом: биомеханический синтез исследуемого движения - биомеханический анализ Ш, - выводы и практические рекомендации - освоение движения. Отсюда сле-
дует, 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.
Ь С появлением современных ЭВМ и последними достижениями в об-
ласти 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-
10
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-
и
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
12
математических моделях сшпеза 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 матема- тических 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 вели- чины 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.
13
¦ 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.
и
¦ 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; \У
- в-четвертых, прогнозировать динамику спортивных результатов (или модификацию техники спортивных упражнений) в зависимости от из-
15
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 со-w вещании 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, 1989Х 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), У1 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-
17
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 рассмат- риваются 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- |
