«В.В. Афанасьев, А.В. Муравьев, И.А. Осетров, П.В. Михайлов Спортивная метрология Учебное пособие Ярославль 2009 УДК 519.22; 796:311 Печатается по решению ББК 75 в 631.8+22.172 редакционно-издательского А 94 совета ЯГПУ ...»

Министерство образования и науки РФ

ГОУ ВПО «Ярославский государственный педагогический университет

им. К.Д. Ушинского»

В.В. Афанасьев, А.В. Муравьев, И.А. Осетров, П.В. Михайлов

Спортивная метрология

Учебное пособие

Ярославль

2009

УДК 519.22; 796:311 Печатается по решению

ББК 75 в 631.8+22.172 редакционно-издательского А 94 совета ЯГПУ им. К.Д. Ушинского Рецензенты:

доктор педагогических наук, профессор М.Н. Жуков доктор физико-математических наук, профессор ЯФ РОАТ В.А. Коромыслов Афанасьев В.В., Муравьёв А.В., Осетров И.А., Михайлов П.В.

А 94 Спортивная метрология [Текст] : учебное пособие / под ред. В.В. Афанасьева / В.В. Афанасьев, А.В. Муравьёв, И.А. Осетров, П.В. Михайлов. – Ярославль : Изд-во ЯГПУ, 2009. – 242 с.

В учебном пособии изложены метрологические основы современной теории педагогического контроля в физическом воспитании и спорте, математико-статистические методы и их применение для обработки и анализа результатов контроля и планирования учебно-тренировочного процесса.

Книга предназначена для студентов, преподавателей, организаторов и менеджеров спорта.

УДК 519.22; 796: ББК 75 в 631.8+22. © ГОУ ВПО «Ярославский ISBN 978-5-87555-528-X государственный педагогический университет им. К.Д. Ушинского», © Коллектив авторов, Содержание Введение

Глава I. Наука об измерениях в спорте

§1. Предмет спортивной метрологии

§2. Становление спортивной метрологии

Глава II. Общие основы метрологии

§3. Особенности измерений в физической культуре и спорте.... §4. Шкалы измерений

§5. Физические величины как объект измерений

§6. Средства измерений

6.1. Поверка средств измерений

6.2. Калибровка

6.3. Методы и схемы поверки

6.4. Стандартные справочные данные

§7. Эталоны, их классификация и виды

§8. Технические средства контроля эффективности обучения и тренировки

8.1 Состав измерительной системы

8.2 Монитор сердечного ритма

8.3 Велоэргометры

8.4 Беговые дорожки(тредбаны)

§9. Методы регистрации характеристик в спортивной метрологии

9.1. Оптические методы

9.2. Электромеханические методы

9.3. Радиоэлектронные способы передачи информации.... §10. Метрологический контроль технической подготовленности спортсменов

Глава III. Математическое обеспечение метрологического контроля

§11. Первичная обработка спортивных показателей.............. §12. Генеральные параметры и их выборочные оценки......... 12.1. Характеристики положения

12.2. Показатели рассеивания

12.3. Показатели формы распределения

§13. Нормальное распределение в спорте

§14. Метод доверительных интервалов

Глава IV. Статистические гипотезы

§15. Статистические гипотезы и их проверка

§16. Параметрические критерии согласия

16.1 t-критерий Стьюдента

16.2 Критерий Крамера-Уэлча

§17. Непараметрические критерии в спорте

17.1. Критерий согласия Пирсона

17.2. Критерий Романовского

17.3. Критерий r2 Фридмана

17.4. Критерий Манна-Уитни

17.5. Критерий Вилкоксона

17.6. Критерий Шапиро-Уилка

Глава V. Корреляционный анализ

§18. Корреляционная зависимость

§19. Ранговая корреляция

§20. Частная и множественная линейная корреляция........... §21. Корреляционное отношение и эффективность тренировочного процесса

§22. Компьютерные технологии в статистическом анализе спортивных достижений

Глава VI. Тестирование общей физической подготовленности..... §23. Надежность теста

§24. Точность измерений

§25. Информативность теста

Глава VII. Интегральная оценка спортивных результатов и тестов

§26. Равномерные шкалы

§27. Стандартные шкалы

§28. Равновероятностные шкалы

Глава VIII. Метрологические основы контроля физической подготовленности спортсменов

§29. Контроль скоростных качеств

29.1. Формы проявления

29.2. Информативность и надежность

§30. Контроль силовых качеств

30.1. Способы измерения силы

30.2. Добротность силовых тестов

§31. Контроль уровня развития гибкости

§32. Контроль уровня развития выносливости

Глава IX. Методы контроля функциональной подготовленности в физической культуре и спорте

§33. Обследования в покое и при нагрузочном тестировании.... Глава X. Классификация свойств и показателей спортивной подготовленности

§34. Показатели спортивной подготовленности

§35. Психолого-педагогические спортивные показатели..... §36. Показатели спортивной надежности

§37. Показатели личности спортсмена

§38. Критерии оценки спортивной подготовленности......... §39. Показатели стандартизации и унификации

§40. Метрологические показатели

Глава XI. Метрологические аспекты организации исследований в спорте

§41. Методология исследований

§42. Сравнительные исследования

§43. Контроль наследственных влияний в спортивном отборе и прогнозе

Приложение

Список рекомендованной литературы.............. ………………. Особенностью спортивной метрологии является то, что в ней термин «измерение» трактуется в самом широком смысле слова, так как в спортивно-педагогической практике недостаточно измерить только физические величины, а приходится оценивать техническое мастерство, эстетическую выразительность, артистизм спортсмена-исполнителя и другие нефизические характеристики и величины.

В учебном пособии изложены метрологические основы современной теории педагогического контроля в физическом воспитании и спорте, математико-статистические методы и их применение для обработки и анализа результатов контроля и планирования учебно-тренировочного процесса на основе стандартных и специально адаптированных компьютерных программ. Дана характеристика современным компьютерным и цифровым технологиям и методическим приемам регистрации, обработки и анализа показателей физического состояния спортсменов, их технико-тактического мастерства, тренировочных нагрузок, представлены метрологические аспекты прогнозирования и моделирования в физическом воспитании и спорте.

В настоящее время спортивная метрология развивается как научная и как учебная дисциплина. Последняя находит свое полное отражение в содержании настоящего учебного пособия, в которое включены материалы, освещающие:

• метрологические основы теории и практики измерений в физической культуре и спорте;

• математико-статистические методы и их применение для обработки и анализа результатов различных форм контроля подготовки спортсменов, отбора наиболее одаренных и прогноза развития и совершенствования их моторики;

• современные технические средства измерения и контроля в спорте, в том числе компьютерные цифровые технологии, приборы с использованием лазерных методов;

• технологии и методические приемы регистрации, обработки и анализа показателей физического и функционального состояния организма спортсменов, технико-тактического мастерства и тренировочных нагрузок.

Учебное пособие состоит из четырех блоков. В первом разделе изложены основы теории измерений, история общей метрологии, измерительные системы и их использование в физическом воспитании и спорте, а также тестирование физической и функциональной подготовленности лиц, занимающихся физической культурой и спортом.

Во втором разделе описаны современные технические средства и технологии, применение которых даст возможность получать достоверные результаты о состоянии организма и тренированности спортсменов и лиц, занимающихся оздоровительными программами физических упражнений.

Содержание этого раздела учебного пособия направлено на то, чтобы научить студентов выбирать адекватную задачам метрологического контроля измерительную аппаратуру (для регистрации техники движений, уровня развития физических качеств, степени функциональной подготовленности) и научиться их приемам ее практического использования.

Третий раздел пособия включает вопросы практического использования метрологического контроля в практике спортивной и оздоровительной тренировки. Содержание этого раздела посвящено методам контроля физической, технической, тактической и функциональной подготовленности спортсменов.

Четвертый раздел включает математическую статистику, ее основные понятия и приложения к физической культуре и спорту. Освоение этого раздела в ходе теоретических и практических занятий позволит студентам научиться обрабатывать статистическими методами данные измерений двигательных характеристик, полученных в процессе тестирования, и на этой основе осуществлять эффективный контроль, отбор и прогноз спортивной подготовленности.

Структура и содержание учебного пособия по спортивной метрологии полностью соответствует требованиям государственного образовательного стандарта по специальности 05720 «Физическая культура» и по специальности «Адаптивная физическая культура».

Глава I. Наука об измерениях в спорте Контроль в физической культуре и спорте начинается с измерений, для этого нужно знать что измерять, как измерять и какие измеряемые показатели являются наиболее информативными. Кроме того, нужно знать и уметь пользоваться методами математической статистики для обработки полученных результатов измеренных величин. Изучаемыми величинами являются, как правило, варьирующие признаки. Например, у представителей одного вида спорта, квалификации, пола и возраста измеряются сила мышц, скорость движения, показатели систем дыхания и кровообращения и т. д. Таким образом, специалист в области физической культуры и спорта при помощи многократно проведённых измерений у одного и того же или у разных спортсменов может найти закономерности и важные связи при анализе адекватности тренировочных нагрузок и оценке состояния тренированности спортсмена.

Предметами спортивной метрологии как части общей метрологии являются измерения и контроль в спорте. Термин «измерение» в спортивной метрологии трактуется в самом широком смысле и понимается как установление соответствия между изучаемыми явлениями и числами. В современной теории и практике спорта измерения широко используются для решения самых разнообразных задач управления подготовкой спортсменов. Эти задачи касаются непосредственного изучения педагогических и биомеханических параметров спортивного мастерства, диагностики энергофункциональных параметров спортивной работоспособности, учета анатомо-морфологических параметров физиологического развития, контроля психических состояний.

§1. Предмет спортивной метрологии Слово «метрология» в переводе с древнегреческого означает «наука об измерениях» (метрон - мера, логос - слово, наука). Основной задачей общей метрологии является обеспечение единства и точности измерений. Спортивная метрология как научная дисциплина представляет собой часть общей метрологии. К ее основным задачам относятся:

1. Разработка новых средств и методов измерений.

2. Регистрация изменений состояния занимающихся под влиянием различных физических нагрузок.

3. Сбор массовых данных, формирование систем оценок и норм, проверка полученных результатов на достоверность при том или ином уровне значимости.

4. Обработка полученных результатов измерений с целью организации эффективного контроля и управления учебнотренировочным процессом.

5. Прогноз спортивных результатов.

Однако как учебная дисциплина спортивная метрология выходит за рамки общей метрологии. Так, в физическом воспитании и спорте помимо обеспечения измерения физических величин, таких как длина, масса и т. д., подлежат измерению педагогические, психологические, медико-биологические и социальные показатели, которые по своему содержанию не относятся к чисто физическим. В общей метрологии нет методик их измерений, и поэтому были разработаны специальные приемы биометрии, результаты которых всесторонне характеризуют подготовленность лиц, занимающихся физической культурой и спортом.

Использование методов математической статистики в спортивной метрологии существенно отличает ее от общей метрологии. Математическая статистика дает возможность получить более точное представление об измеряемых объектах, сравнить их и оценить результаты и надежность измерений. В практике физического воспитания и спорта проводят измерения в процессе систематического контроля, в ходе которого регистрируются различные показатели соревновательной и тренировочной деятельности, а также состояние спортсменов.

Такой контроль называют комплексным. Это дает возможность установить причинно-следственные связи между тренировочными нагрузками и результатами в соревнованиях, а после сопоставления и анализа вносить коррективы в программу и планы подготовки спортсменов.

Таким образом, предметом спортивной метрологии является комплексный контроль в физическом воспитании и спорте и использование его результатов в прогнозировании и планировании подготовки спортсменов и лиц, занимающихся оздоровительной физической культурой. Систематический контроль спортсменов, их спортивной подготовленности и степени тренированности, позволяет определить меру стабильности характеристик спортивной формы и учитывать возможные отклонения от ее оптимального уровня.

§2. Становление спортивной метрологии Традиционно метрология занималась измерением только физических величин. В последние десятилетия были созданы методы, позволяющие измерять разнообразные показатели нефизической природы (психологические, биологические, социологические, педагогические и др.). Однако среди метрологов нет единой точки зрения о границах своей науки. Мы придерживаемся распространенного толкования метрологии как науки о всех видах измерения.

Гениально высказался нобелевский лауреат Арчибальд Вивиан Хилл: «Наибольшее количество сконцентрированных физиологических данных содержится не в книгах по физиологии …, а в мировых рекордах по бегу».

Первым заинтересовался «кривой рекордов» Кенелли [31], предложивший для ее описания гиперболическую функцию.

Публикация Кенелли предопределила дальнейшее развитие работ в этой области. Созданная им интерполяционная формула для описания «кривой рекордов» оставалась неизменной долгое время. Для аппроксимации эмпирических данных использовался следующий прием. Имея три основные переменные – дистанцию, время и скорость, исследователь строил графики «дистанция – время», «дистанция – скорость», «скорость – время», откладывая на осях обычно не сами эмпирические данные, а их логарифмы.

Под преобразованные таким образом данные подбирались интерполяционные формулы.

Во второй половине XX века были предприняты попытки перейти к содержательному математическому описанию «кривой рекордов» на основе некоторых модельных представлений о факторах, ограничивающих работоспособность при напряженных физических упражнениях. Первым предложил Хенри (1954, 1955) использовать пятичленное экспоненциальное выражение. Он исходил из того, что в «кривой рекордов» должно находить отражение существование четырех различных источников энергии при мышечной деятельности: распад макроэнергетических фосфорных соединений, гликолиз, аэробное окисление углеводов и жиров. Пятый член предложенного Хенри выражения характеризует затраты энергии на начальное ускорение со старта. Предложенное им уравнение позволило с большой точностью предсказать достижения в широком диапазоне дистанций [8].

Сходный модельный подход использовали также Тарнер и Кемпбелл, предложившие «биометрическую теорию рекордов» в беге от 400 до 10000 м. Авторы исходили из того, что длительное передвижение с постоянной скоростью возможно лишь при так называемых субкритических скоростях, где О2 – запрос меньше текущего потребления кислорода. При скорости выше критической энергетическое обеспечение деятельности во все большей степени начинает осуществляться за счет анаэробных реакций, что приводит к более быстрому исчерпанию механизмов О2 – долга. На этой основе авторы предложили для описания «кривой рекордов» формулу, где скорость передвижения рассматривалась как функция от мощности аэробных и анаэробных механизмов поставки энергии.

Наиболее полно и методически обоснованно современное состояние спортивной метрологии изложено В.М. Зациорским и М.А.Годиком в учебниках «Спортивная метрология» для институтов физической культуры и в учебном пособии с тождественным названием С.В. Начинской [11, 15, 21]. В них изложены:

основы измерений в физической культуре и спорте (измерение физических величин, единицы измерений и показателей в спортивной метрологии, средства измерений, шкалы, объекты измерений в спортивной метрологии, нормы, шкалы оценок);

методы первичной обработки фактического измерения материала (метод средних величин – образование вариационных рядов, виды вариационных рядов и их графическое изображение, решение типовых задач методом средних величин;

выборочный метод основные понятия выборочного метода, элементы теории вероятностей, нормальный закон распределения, соответствие нормальному закону, организация выборки, определение показателей генеральной совокупности, понятие о статистической достоверности, решение типовых задач ФКС на статистическую достоверность;

корреляционный анализ – способы анализа силы взаимосвязи, виды корреляции, способы выражения корреляции, коэффициент корреляции Бравэ-Пирсона, ранговый коэффициент корреляции Спирмена, корреляционные отношения, множественная корреляция, решение типичных задач ФКС на корреляцию, графическое изображение статистических данных);

принципы выявления тенденций и закономерностей в спорте (анализ и прогноз – использование анализа, прогноза и многомерных методов, ряды динамики (временные ряды)), метод индексов, дисперсионный анализ;

квалиметрия, или методы количественной оценки качества показателей – атрибутивные понятия, анкетирование, латентный анализ, экспертизы, или метод экспертных оценок; контентанализ-классификация, определение критерия классификации, факторный анализ, метод корреляционных плеяд, комбинаторный анализ;

подходы к тестированию спортсменов (европейское и американское тестирование, общепринятые тесты, надежность и информативность тестов);

принципы моделирования спортивных состязаний (принцип статистического перебора – шаг перебора и комплект моделей, модель «Тактика спринтерского бега», модель «Режимы прохождения дистанций в академической гребле»;

принцип сравнения с эталоном – модель «Техника старта в велосипедном спорте»; принцип комбинаторных сочетаний – определение принципа комбинаторных сочетаний, модель «Атакующие действия в фехтовании», принцип эталонизации средств физического воздействия, связка статистических методов).

Кроме того, заслуживает отдельного внимания словарьсправочник по спортивной метрологии В.Б. Коренберга, который содержит более 1600 терминов, раскрывающих важные положения для контроля процесса спортивной подготовки.

Глава II. Общие основы метрологии Развитие науки и техники всегда было связано с прогрессом в области измерений. В физике, механике и других точных науках именно измерения позволяли устанавливать зависимости, отражающие объективные законы природы. Вместе с тем, и в ряде других наук, таких как физиология, медицина, биомеханика, педагогика и др., измерения являются одним из основных способов познания закономерностей функционирования биологических объектов, систем организма человека и т. д.

Большое значение измерений для науки подчеркивали многие ученые: «Измеряй все доступное измерению и делай доступным все недоступное ему» (Г.Галилей); «Наука начинается с тех пор, как начинает измерять, точная наука немыслима без меры» (Д.И.

Менделеев).

В настоящее время все более широкое применение измерений отмечается в спортивной науке и практике. При этом используются почти все существующие виды и методы измерений (радиоэлектронные, оптоэлектронные, биофизические, биохимические, ультразвуковые, лазерные и др.). Эти многочисленные средства и методы измерений широко используются для решения самых разнообразных задач комплексного контроля и управления процессом подготовки спортсменов высокой квалификации, а также занимающихся профессионально-прикладной физической подготовкой. Вместе с тем, именно специфические особенности спортивнопедагогических измерений, осуществляемых на таком сложном биообъекте, каким является спортсмен высокой квалификации в экстремальных динамических условиях его двигательной деятельности, не нашли до настоящего времени должного теоретического и экспериментального обоснования.

Измерения различают по способу получения информации, по характеру изменений измеряемой величины в процессе измерений, по количеству измерительной информации, по отношению к основным единицам. По способу получения информации измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения - это непосредственное выражение физической величины её мерой. Например, при определении длины предмета линейкой происходит выражение искомой величины (количественного выражения значения длины) линейной мерой.

Косвенные измерения отличаются от прямых тем, что искомое значение величины устанавливают по результатам прямых измерений таких величин, которые связаны с искомой определенной зависимостью. Так, если измерить силу тока амперметром, а напряжение вольтметром, то по известной функциональной зависимости трех величин можно рассчитать мощность электрической цепи.

Совместные измерения - это измерения двух или более неоднородных физических величин для определения зависимости между ними. Совокупные и совместные измерения часто применяют в измерениях различных параметров и характеристик в различных областях.

По характеру изменения измеряемой величины в процессе измерений бывают статистические, динамические и статические измерения. Статистические измерения связаны с определением числовых характеристик случайных процессов, звуковых сигналов, уровня шумов и т. д. Статические измерения имеют место тогда, когда измеряемая величина практически постоянна.

Динамические измерения связаны с такими величинами, которые в процессе измерений претерпевают те или иные изменения.

Статические и динамические измерения в идеальном виде на практике редки.

По количеству измерительной информации различают однократные и многократные измерения. Однократные измерения - это одно измерение одной величины, то есть число измерений равно числу измеряемых величин. Практическое применение такого вида измерений всегда сопряжено с большими погрешностями, поэтому следует проводить не менее трех однократных измерений и находить конечный результат как среднее арифметическое значение. Многократные измерения характеризуются превышением числа измерений количества измеряемых величин. Обычно минимальное число измерений в данном случае не меньше трех. Преимущество многократных измерений в значительном снижении влияний случайных факторов на погрешность измерения.

По отношению к основным единицам измерения делят на абсолютные и относительные. Абсолютными измерениями называют такие, при которых используется прямое измерение одной (иногда нескольких) основной величины и физическая константа. Так, в известной формуле Эйнштейна Е=mс2 масса (m) - основная физическая величина, которая может быть измерена прямым путем (взвешиванием), а скорость света (c) физическая константа. Относительные измерения базируются на установлении отношения измеряемой величины к однородной, применяемой в качестве единицы. Естественно, что искомое значение зависит от используемой единицы измерений. С измерениями связаны такие понятия, как «шкала измерений», «принцип измерений», «метод измерений».

§3. Особенности измерений в физической культуре и спорте Основными измеряемыми и контролируемыми параметрами в спортивной медицине, тренировочном процессе и в научных исследованиях по спорту являются физиологические («внутренние»), физические («внешние») и психологические параметры тренировочной нагрузки и восстановления;

параметры качеств силы, быстроты, выносливости, гибкости и ловкости; функциональные параметры сердечнососудистой и дыхательной систем; биомеханические параметры спортивной техники; линейные и дуговые параметры размеров тела. Как и всякая живая система, спортсмен является сложным, нетривиальным объектом измерения. От привычных классических объектов измерения спортсмен имеет ряд отличий:

изменчивость, многомерность, квалитативность, адаптивность и подвижность.

Изменчивость – непостоянство переменных величин, характеризующих состояние спортсмена и его деятельность.

Непрерывно изменяются все показатели спортсмена:

физиологические (потребление кислорода, частота пульса и др.), морфоанатомические (рост, масса, пропорции тела и т. п.), биомеханические (кинематические, динамические и психофизиологические и т. д. Изменчивость делает необходимыми многократные измерения и обработку их результатов методами математической статистики.

Многомерность – большое число переменных, которые нужно одновременно измерять, для того чтобы охарактеризовать состояние и деятельность спортсмена. Наряду с «выходными переменными», характеризующими спортсмена, следует контролировать и «входные переменные», характеризующие влияние внешней среды на спортсмена. Роль входных переменных могут играть интенсивность физических и эмоциональных нагрузок, концентрация кислорода во вдыхаемом воздухе, температура окружающей среды и т. д.

Стремление уменьшить число измеряемых переменных – характерная особенность спортивной метрологии. Оно обусловлено не только организационными трудностями, возникающими при попытках одновременно зарегистрировать много переменных, но и тем, что с ростом числа переменных резко возрастает трудоемкость их анализа.

Квалитативность – качественная характеристика, при отсутствии точной количественной меры. Физические качества спортсмена, свойства личности и коллектива, качество инвентаря и многие другие факторы спортивного результата еще не поддаются точному измерению, но, тем не менее, должны быть оценены как можно точнее. Без такой оценки затруднен дальнейший прогресс как в спорте высших достижений, так и в массовой физкультуре, остро нуждающейся в контроле состояния здоровья и нагрузок занимающихся.

Адаптивность – свойство человека приспосабливаться (адаптироваться) к окружающим условиям. Адаптивность лежит в основе обучаемости и дает спортсмену возможность осваивать новые элементы движений и выполнять их в обычных и в усложненных условиях (на жаре и холоде, при эмоциональном напряжении, утомлении, гипоксии и т. д.). Но одновременно адаптивность усложняет задачу спортивных измерений. При многократных исследованиях спортсмен привыкает к процедуре исследования («учится быть исследуемым») и по мере такого обучения начинает показывать иные результаты, хотя его функциональное состояние при этом может оставаться неизменным.

Подвижность – особенность спортсмена, основанная на том, что в подавляющем большинстве видов спорта деятельность спортсмена связана с непрерывными перемещениями. По сравнению с исследованиями, проводимыми с неподвижным человеком, измерения в условиях спортивной деятельности сопровождаются дополнительными искажениями регистрируемых кривых и ошибками в измерениях.

Шкала измерений - это упорядоченная совокупность значений физической величины, которая служит основой для ее измерения. Поясним это понятие на примере температурных шкал. В шкале Цельсия за начало отсчета принята температура таяния льда, а в качестве основного интервала (опорной точки) температура кипения воды. Одна сотая часть этого интервала является единицей температуры (градус Цельсия). В температурной шкале Фаренгейта за начало отсчета принята температура таяния смеси льда и нашатырного спирта (либо поваренной соли), а в качестве опорной точки взята нормальная температура тела здорового человека. За единицу температуры (градус Фаренгейта) принята одна девяносто шестая часть основного интервала. По этой шкале температура таяния льда равна + 32°F, а температура кипения воды + 212°F. Таким образом, если по шкале Цельсия разность между температурой кипения воды и таяния льда составляет 100°С, то по Фаренгейту она равна 180°F. На этом примере мы видим роль принятой шкалы, как в количественном значении измеряемой величины, так и в аспекте обеспечения единства измерений. В данном случае требуется находить отношение размеров единиц, чтобы можно было сравнить результаты измерений, то есть toF/t°C. В метрологической практике известны несколько разновидностей шкал: шкала наименований, шкала порядка, шкала интервалов, шкала отношений и др.

Шкала наименований - это своего рода качественная, а не количественная шкала, она не содержит нуля и единиц измерений. Примером может служить атлас цветов (шкала цветов). Процесс измерения заключается в визуальном сравнении окрашенного предмета с образцами цветов (эталонными образцами атласа цветов). Поскольку каждый цвет имеет немало вариантов, такое сравнение под силу опытному эксперту, который обладает не только практическим опытом, но и соответствующими особыми характеристиками зрительных возможностей.

Шкала порядка характеризует значение измеряемой величины в баллах (шкала землетрясений, силы ветра, твердости физических тел и т. п.).

Шкала интервалов (разностей) имеет условные нулевые значения, а интервалы устанавливаются по согласованию.

Такими шкалами являются шкала времени и шкала длины.

Шкала отношений имеет естественное нулевое значение, а единица измерений устанавливается по согласованию.

Например, шкала массы (обычно мы говорим «веса»), начинаясь от нуля, может быть градуирована по-разному в зависимости от требуемой точности взвешивания. Сравните бытовые и аналитические весы. В общем виде измерением какой-либо величины называется операция, в результате которой определяется, во сколько раз или насколько эта величина отличается от другой величины, принятой за эталон.

§5. Физические величины как объект измерений Объектом измерений являются физические величины, которые принято делить на основные и производные. Основные величины не зависимы друг от друга, но они могут служить основой для установления связей с другими физическими величинами, которые называют производными от них. Вспомним уже упомянутую формулу Эйнштейна, в которую входит основная единица - масса, а энергия - это производная единица, зависимость между которой и другими единицами определяет данная формула. Основным величинам соответствуют основные единицы измерений, а производным - производные единицы измерений. Совокупность основных и производных единиц называется системой единиц физических величин. Первой системой единиц считается метрическая система, где, как уже отмечалось выше, за основную единицу длины был принят метр, за единицу веса - вес 1 см3 химически чистой воды при температуре около +4°С - грамм (позже - килограмм). В 1799г.

были изготовлены первые прототипы (эталоны) метра и килограмма. Кроме этих двух единиц метрическая система в своем первоначальном варианте включала еще и единицы площади (ар - площадь квадрата со стороной 10 м), объема (стер, равный объему куба с ребром 10 м), вместимости (литр, равный объему куба с ребром 0,1 м). Таким образом, в метрической системе еще не было четкого подразделения единиц величин на основные и производные. Понятие системы единиц как совокупности основных и производных впервые предложено немецким ученым К.Ф. Гауссом в 1832 г. В качестве основных в этой системе были приняты: единица длины - миллиметр, единица массы - миллиграмм, единица времени - секунда. Эту систему единиц назвали абсолютной. В 1881 г. была принята система единиц физических величин СГС, основными единицами которой были: сантиметр - единица длины, грамм единица массы, секунда - единица времени. Производными единицами системы считались единица силы - килограмм-сила и единица работы - эрг. Неудобство системы СГС состояло в трудностях пересчета многих единиц в другие системы для определения их соотношения. В начале XX в. итальянский ученый Джорджи предложил еще одну систему единиц, получившую название МКСА (в русской транскрипции) и довольно широко распространившуюся в мире. Основные единицы этой системы: метр, килограмм, секунда, ампер (единица силы тока), а производные: единица силы - ньютон, единица энергии - джоуль, единица мощности - ватт. Были и другие предложения, что указывает на стремление к единству измерений в международном аспекте. В то же время даже сейчас некоторые страны не отошли от исторически сложившихся у них единиц измерения. Известно, что Великобритания, США, Канада основной единицей массы считают фунт, причем его размер в системе «британских имперских мер» и «старых винчестерских мер» различен. Наиболее широко распространена во всем мире Международная система единиц СИ. Рассмотрим ее сущность.

Международная система единиц физических величин (СИ) Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) в г. определила шесть основных единиц физических величин для их использования в международных отношениях: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и свеча. XI «Генеральная конференция по мерам и весам» в 1960 г.

утвердила международную систему единиц, обозначаемую SI (от начальных букв французского названия Systeme International d' Unites), на русском языке - СИ. В последующие годы генеральная конференция приняла ряд дополнений и изменений, в результате чего в системе стало семь основных единиц, дополнительные и производные единицы физических величин, а также разработала следующие определения основных единиц:

• единица длины - метр - длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды;

• единица массы - килограмм - масса, равная массе международного прототипа килограмма;

• единица времени - секунда - продолжительность 9192631770 периодов излучения, которое соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей;

• единица силы электрического тока - ампер - сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную10 -7 на каждый метр длины;

• единица термодинамической температуры - кельвин часть термодинамической температуры тройной точки йоды. Допускается также применение шкалы Цельсия;

• единица количества вещества - моль - количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углеродамассой 0,012 кг;

• единица силы света - кандела - сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 54010 12 Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Приведенные определения довольно сложны и требуют достаточного уровня знаний прежде всего в физике. Но они дают представление о природном, естественном происхождении принятых единиц, а толкование их усложнялось по мере развития науки и благодаря новым высоким достижениям теоретической и практической физики, механики, математики и других фундаментальных областей знаний. Это дало возможность, с одной стороны, представить основные единицы как достоверные и точные, а с другой - как объяснимые и как бы понятные для всех стран мира, что является главным условием для того, чтобы система единиц стала международной.

Международная система СИ считается наиболее совершенной и универсальной по сравнению с предшествовавшими ей. Кроме основных единиц в системе СИ есть дополнительные единицы для измерения плоского и телесного углов — радиан и стерадиан соответственно, а также большое количество производных единиц пространства и времени, механических величин, электрических и магнитных величин, тепловых, световых и акустических величин, а также ионизирующих излучений. После принятия международной системы единиц ГКМВ практически все крупнейшие международные организации включили ее в свои рекомендации по метрологии и призвали все страны - члены этих организаций принять ее. В нашей стране система СИ официально была принята путем введения в 1963 г. соответствующего государственного стандарта, причем следует учесть, что в то время все государственные стандарты имели силу закона и были строго обязательны для выполнения. На сегодняшний день система СИ действительно стала международной, но вместе с тем, применяются и внесистемные единицы, например, тонна, сутки, литр, гектар и др.

Для практического измерения единицы величины применяются технические средства, которые имеют нормированные погрешности и называются средствами измерений. К средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы, измерительные принадлежности.

Мерой называют средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. К данному виду средств измерений относятся гири, концевые меры длины и т. п. На практике используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер.

Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера (гиря). Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины. Например, миллиметровая линейка дает возможность выразить длину предмета в сантиметрах и в миллиметрах. Наборы и магазины представляют собой объединение (сочетание) однозначных или многозначных мер для получения возможности воспроизведения некоторых промежуточных или суммарных значений величины. Набор мер представляет собой комплект однородных мер разного размера, что дает возможность применять их в нужных сочетаниях.

Например, набор лабораторных гирь. Магазин мер - сочетания мер, объединенных конструктивно в одно механическое целое, в котором предусмотрена возможность посредством ручных или автоматизированных переключателей, связанных с отсчетным устройством, соединять составляющие магазин меры в нужном сочетании. По такому принципу устроены магазины электрических сопротивлений. К однозначным мерам относят стандартные образцы и стандартные вещества. Стандартный образец - это должным образом оформленная проба вещества (материала), которая подвергается метрологической аттестации с целью установления количественного значения определенной характеристики. Эта характеристика (или свойство) является величиной с известным значением при установленных условиях внешней среды. К подобным образцам относятся, например, наборы минералов с конкретными значениями твердости (шкала Мооса) для определения этого параметра у различных минералов. Стандартным образцом является образец чистого цинка, который служит для воспроизведения температуры 419,527°С по международной температурной шкале МТШ-90.

При пользовании мерами следует учитывать номинальное и действительное значения мер, а также погрешность меры и ее разряд. Номинальным называют значение меры, указанное на ней. Действительное значение меры должно быть указано в специальном свидетельстве как результат высокоточного измерения с использованием официального эталона. Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры. Величина, противоположная по знаку погрешности, представляет собой поправку к указанному на мере номинальному значению. Поскольку при аттестации (поверке) также могут быть погрешности, меры подразделяют на разряды (1-го, 2-го и т. д. разрядов) и называют разрядными эталонами (образцовые измерительные средства), которые используют для поверки измерительных средств. Величина погрешности меры служит основой для разделения мер на классы, что обычно применимо к мерам, употребляемым для технических измерений.

Измерительный преобразователь - это средство измерений, которое служит для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки или хранения, а также передачи в показывающее устройство.

Измерительные преобразователи либо входят в конструктивную схему измерительного прибора, либо применяются совместно с ним, но сигнал преобразователя не поддается непосредственному восприятию наблюдателем. Например, преобразователь может быть необходим для передачи информации в память компьютера, для усиления напряжения и т. д. Преобразуемую величину называют входной, а результат преобразования - выходной величиной. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, называемое функцией преобразования.

Преобразователи подразделяются на первичные (непосредственно воспринимающие измеряемую величину);

передающие (на выходе которых величина приобретает форму, удобную для регистрации или передачи на расстояние);

промежуточные (работающие в сочетании с первичными и не влияющие на изменение рода физической величины).

Измерительные приборы - это средства измерений, которые позволяют получать измерительную информацию в форме, удобной для восприятия пользователем. Различаются измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения.

Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем соответствующую градуировку в единицах этой величины. Изменения рода физической величины при этом не происходит. К приборам прямого действия относят, например, секундомеры, амперметры, вольтметры, термометры и т. п. Приборы сравнения предназначаются для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Такие приборы широко используются в научных целях, а также и на практике для измерения таких величин, как яркость источников излучения, давление сжатого воздуха и др. Измерительные установки и системы - это совокупность средств измерений, объединенных по функциональному признаку со вспомогательными устройствами, для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерений. Обычно такие системы автоматизированы и обеспечивают ввод информации в систему, автоматизацию самого процесса измерения, обработку и отображение результатов измерений для восприятия их пользователем. Измерительные принадлежности - это вспомогательные средства измерений величин. Они необходимы для вычисления поправок к результатам измерений, если требуется высокая степень точности. Например, термометр может быть вспомогательным средством, если показания прибора достоверны при строго регламентированной температуре; психрометр - если четко оговаривается влажность окружающей среды. Следует учитывать, что измерительные принадлежности вносят определенные погрешности в результат измерений, связанные с погрешностью самого вспомогательного средства.

По метрологическому назначению средства измерений делят на два вида - рабочие средства измерений и эталоны.

Рабочие средства измерений применяют для определения параметров (характеристик) технических устройств, технологических процессов, окружающей среды и др. Рабочие средства могут исследований), производственными (для обеспечения и контроля заданных характеристик технологических процессов), полевыми (для самолетов, автомобилей, судов и в том числе для контроля в спортивной практике). Каждый из этих видов рабочих средств отличается особыми показателями. Так, лабораторные средства измерений - самые точные и чувствительные, а их показания характеризуются высокой стабильностью. Производственные обладают устойчивостью к воздействиям различных факторов производственного процесса: температуры, влажности, вибрации и т. п., что может сказаться на достоверности и точности показаний приборов. Полевые - работают в условиях, постоянно изменяющихся в широких пределах внешних воздействий.

6.1. Поверка средств измерений Поверка средств измерений - совокупность операций, выполняемых органами Государственной метрологической службы (органами ГМС) или другими уполномоченными на то органами и организациями с целью определения и подтверждения соответствия средств измерений установленным техническим требованиям. В соответствии с законом Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений» средства измерений, подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору, подвергаются поверке при выпуске из производства или ремонта, при ввозе по импорту и эксплуатации. Допускаются продажа и выдача на прокат только поверенных средств измерений. В развитие закона Госстандарт России утвердил ряд документов, регламентирующих различные аспекты поверочной деятельности, основные из них:

• ПР 50.2.006-94 «ГСИ. Поверка средств измерений.

Организация и порядок проведения»;

• ПР 50.2.012-94 «ГСИ. Порядок аттестации поверителей средств измерений»;

• ПР 50.2.007-94 «ГСИ. Поверительные клейма».

В ПР 50.2.006-94 установлено, что поверку средств измерений осуществляют органы ГМС, государственные научные метрологические центры (ГНМЦ), а также аккредитованные метрологические службы юридических лиц.

Поверка проводится физическим лицом, аттестованным в качестве поверителя в соответствии с ПР 50.2.012-94, по нормативным документам, утверждаемым по результатам испытаний с целью утверждения типа. Результат поверки подтверждение пригодности средств измерений к применению или признание средства измерений непригодным к применению.

Если средство измерений по результатам поверки признано пригодным к применению, то на него и (или) техническую документацию наносится оттиск поверительного клейма и (или) выдается «Свидетельство о поверке». Если по результатам поверки средство измерений признано непригодным к применению, оттиск поверительного клейма и (или) «Свидетельство о поверке» аннулируются и выписывается «Извещение о непригодности» или делается соответствующая запись в технической документации.

В России применяются следующие виды поверок средств измерений: первичная, периодическая, внеочередная, инспекционная и экспертная. Первичной поверке подвергаются средства измерений утвержденных типов, которые произведены или отремонтированы в России, ввезены по импорту за исключением ситуации действия соответствующего соглашения (договора) о взаимном признании результатов поверки между Госстандартом РФ и национальной организацией по метрологии другой страны. При утверждении типа средств измерений единичного производства на каждое из них оформляется сертификат об утверждении типа, а первичную поверку данные средства измерений не проходят. Периодической поверке подлежат находящиеся в эксплуатации (или хранящиеся) средства измерения. Перечень таких средств с учетом областей действия государственного метрологического надзора составляют владельцы этих средств. Поверочные интервалы устанавливаются на основе действующих законодательных положений. Произведенные или отремонтированные средства измерений должны предъявляться на первичную поверку после их приемки отделом технического контроля. Если ремонт производится выездными бригадами, допускается предъявление на поверку средств измерений лицом, производившим ремонт, без предварительной приемки отделом технического контроля.

Средства измерений, находящиеся на длительном хранении, могут не подвергаться периодической поверке. Решение об этом принимает главный метролог юридического лица. Поверке подлежат характеристики средства измерения лишь в применяемом диапазоне измерений. В этих случаях на средствах измерений должна быть нанесена отчетливая надпись или условное обозначение, определяющие область их применения.

эксплуатационных документах.

Внеочередную поверку проводят при эксплуатации (хранении) средств измерений в случае:

• повреждения знака поверительного клейма, а также утраты свидетельства о поверке;

• ввода в эксплуатацию средств измерений после длительного хранения (более одного межповерочного интервала);

• проведения повторной настройки, известного или предполагаемого ударного воздействия на средство измерений или неудовлетворительной работы прибора;

• продажи (отправки) потребителю средств измерений, не реализованных по истечении срока, равного половине межповерочных интервалов на них;

• применения средств измерений в качестве комплектующих по истечении срока, равного половине межповерочных интервалов на них.

Инспекционную поверку проводят для выявления пригодности к применению средств измерений при осуществлении государственного метрологического надзора.

Экспертную поверку проводят при возникновении спорных вопросов по метрологическим характеристикам, исправности средств измерений и пригодности их к применению.

Средства измерений должны представляться на поверку по требованию органа ГМС в расконсервированном состоянии, сопровождаться техническим описанием, инструкцией по эксплуатации, паспортом, свидетельством о последней поверке, а при необходимости - комплектующими устройствами.

Поверка проводится на основании заявок юридических (физических) лиц в соответствующий орган ГМС, который проверяет полноту информации, уточняет место, сроки и объем поверки, а также размер оплаты работ заявителем.

Ответственность за сохранность поверяемых средств измерений несут органы ГМС.

6.2. Калибровка Калибровка средств измерений - это совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и/или пригодности к применению средств измерений, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору. Под пригодностью средства измерения подразумевается соответствие его метрологических характеристик ранее установленным техническим требованиям, которые могут содержаться в нормативном документе или определяться заказчиком. Вывод о пригодности делает калибровочная лаборатория.

Калибровка заменила ранее существовавшую в нашей стране ведомственную поверку и метрологическую аттестацию средств измерений. В отличие от поверки, которую осуществляют органы государственной метрологической службы, калибровка может проводиться любой метрологической службой (или физическим лицом) при наличии надлежащих условий для квалифицированного выполнения этой работы.

Калибровка - добровольная операция и ее может выполнить также и метрологическая служба самого предприятия. Это еще одно отличие от поверки, которая, как уже сказано выше, обязательна и подвергается контролю со стороны органов ГМС.

Однако добровольный характер калибровки не освобождает метрологическую службу предприятия от необходимости соблюдать определенные требования. Главное из них прослеживаемость, то есть обязательная «привязка» рабочего средства измерений к национальному (государственному) эталону. Таким образом, функцию калибровки следует рассматривать как составную часть национальной системы обеспечения единства измерений. А если учесть, что принципы национальной системы обеспечения единства измерений гармонизованы с международными правилами и нормами, то калибровка включается в мировую систему обеспечения единства измерений. Выполнение указанного требования («привязки» к эталону) важно и с другой точки зрения:

измерения - это неотъемлемая часть технологических процессов, то есть они непосредственно влияют на качество продукции. В этой связи результаты измерений должны быть сравнимы, что достигается только передачей размеров единиц от государственных эталонов и соблюдением норм и правил законодательной метрологии.

6.3. Методы и схемы поверки Допускается применение четырех методов поверки (калибровки) средств измерений:

• непосредственное сличение с эталоном;

• сличение с помощью компаратора;

• метод прямых измерений;

• метод косвенных измерений.

Метод непосредственного сличения поверяемого (калибруемого) средства измерения с эталоном соответствующего разряда широко применяется для различных средств измерений в таких областях, как электрические и магнитные измерения, для определения напряжения, частоты и силы тока. В основе метода лежит проведение одновременных измерений одной и той же физической величины поверяемым (калибруемым) и эталонным приборами. При этом определяют погрешность как разницу показаний поверяемого и эталонного средств измерений, принимая показания эталона за действительное значение величины. Достоинства этого метода в его простоте, наглядности, возможности применения автоматической поверки (калибровки), отсутствии потребности в сложном оборудовании.

Для второго метода необходим компаратор - прибор сравнения, с помощью которого сличаются поверяемое (калибруемое) и эталонное средства измерения. Потребность в компараторе возникает при невозможности сравнения показаний приборов, измеряющих одну и ту же величину. Например, двух вольтметров, один из которых пригоден для постоянного тока, а другой - переменного. В подобных ситуациях в схему поверки (калибровки) вводится промежуточное звено - компаратор. Для приведенного примера потребуется потенциометр, который и будет компаратором. На практике компаратором может служить любое средство измерения, если оно одинаково реагирует на сигналы как поверяемого (калибруемого), так и эталонного измерительного прибора. Достоинством данного метода специалисты считают последовательное во времени сравнение двух величин.

Метод прямых измерений применяется, когда имеется возможность сличить испытуемый прибор с эталонным в определенных пределах измерений. В целом принцип этого метода аналогичен методу непосредственного сличения, но методом прямых измерений производится сличение на всех числовых отметках каждого диапазона (и поддиапазонов, если они имеются в приборе). Метод прямых измерений применяют, например, для поверки или калибровки вольтметров постоянного электрического тока.

Метод косвенных измерений применяется, когда действительные значения измеряемых величин невозможно определить прямыми измерениями, либо когда косвенные измерения оказываются более точными, чем прямые. Этим методом определяют вначале не искомую характеристику, а другие, связанные с ней определенной зависимостью. Искомая характеристика определяется расчетным путем. Например, при поверке (калибровке) вольтметра постоянного тока эталонным амперметром устанавливают силу тока, одновременно измеряя сопротивление. Расчетное значение напряжения сравнивают с показателями калибруемого (поверяемого) вольтметра. Метод косвенных измерений обычно применяют в установках автоматизированной поверки (калибровки).

Поверочные схемы Для обеспечения правильной передачи размеров единиц измерения от эталона к рабочим средствам измерения составляют поверочные схемы, устанавливающие метрологические соподчинения государственного эталона, разрядных эталонов и рабочих средств измерений.

Поверочные схемы разделяют на государственные и локальные.

распространяются на все средства измерений данного вида, применяемые в стране. Локальные поверочные схемы предназначены для метрологических органов министерств, распространяются они также и на средства измерений подчиненных предприятий. Кроме того, может составляться и локальная схема на средства измерений, используемые на конкретном предприятии. Все локальные поверочные схемы должны соответствовать требованиям соподчиненности, которые определены государственной поверочной схемой.

Государственные поверочные схемы разрабатываются научноисследовательскими институтами Госстандарта РФ, держателями государственных эталонов. В некоторых случаях бывает невозможно одним эталоном воспроизвести весь диапазон величины, поэтому в схеме может быть предусмотрено несколько первичных эталонов, которые в совокупности воспроизводят всю шкалу измерений. Например, шкала температуры от 1,5 до 1105 °К воспроизводится двумя государственными эталонами. Основным показателем достоверности передачи размера единицы величины является соотношение погрешностей средств измерений между вышестоящей и нижестоящей ступенями поверочной схемы. В идеале это соотношение должно быть 1:10, однако на практике достичь его не удается, и максимально допустимым соотношением принято считать 1:3. Чем больше величина этого соотношения, тем меньше уверенность в достоверности показаний измерительного прибора.

6.4. Стандартные справочные данные Государственная служба стандартных справочных данных (ГСССД) как составная часть Государственной метрологической службы представляет собой специализированную общегосударственную систему, обеспечивающую на основе единых научных, методических и организационных положений проведение работы в области данных о физических константах и свойствах веществ (материалов). Служба осуществляет сбор, обработку, оценку, хранение и стандартизацию указанных данных, а также справочно-информационное обслуживание потребителей соответствующих областей науки и производства.

эффективного использования веществ и материалов с помощью исчерпывающей оперативной информации об их свойствах;

ускорение получения новых веществ и материалов и определение новых необходимых данных о них путем координации соответствующих работ; повышение производительности научного и инженерного труда уменьшением затрат на поиск информации; достижение соответствующего уровня точности значений физических констант, справочных данных и развитие международного сотрудничества в этой области. Руководит ГСССД специализированный центр в составе информационной системы ВНИИКИ. В состав ГСССД, являющейся по своему характеру межотраслевой системой, включены многие организации Академии наук, промышленности и высшего образования.

Служба издает справочники, библиографические указатели, обзоры, которые содействуют оперативному использованию проверенной, унифицированной информации о значениях физических констант, свойствах материалов и веществ заинтересованными организациями. Эти издания дают наиболее достоверный уровень сообщений о результатах исследовательских работ, связанных в том числе с созданием стандартных образцов веществ и материалов. Уровень достоверности данных - весьма важный фактор результатов любой работы их использующей. В этой связи справочные данные классифицируют на стандартные, рекомендуемые и информационные. К стандартным справочным данным относят числовые значения физических констант, свойств материалов и веществ, которые получены на основе анализа и оценки достоверности результатов расчетов (измерений) и утверждены Госстандартом РФ. К рекомендуемым справочным данным относят числовые значения физических констант, свойств материалов (веществ), которые получены путем оценки погрешности результатов измерений (расчетов). Эти данные подлежат утверждению в НПО «Элтест» Госстандарта РФ. К информационным данным относят совокупность сведений об ассортименте (номенклатуре), свойствах и параметрах качества материалов (веществ), производимых и потребляемых в данный период времени.

§7. Эталоны, их классификация и виды Эталон - это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее размера другим средствам измерений. От эталона единица величины передается разрядным эталонам, а от них рабочим средствам измерений.

Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и рабочие. Первичный эталон - это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.

Национальный эталон утверждается в качестве исходного средства измерения для страны национальным органом по метрологии. В России национальные (государственные) эталоны утверждает Госстандарт РФ. Международные эталоны хранит и поддерживает Международное бюро мер и весов (МБМВ).

Важнейшая задача деятельности МБМВ состоит в систематических международных сличениях национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами, а также и между собой, что необходимо для обеспечения достоверности, точности и единства измерений как одного из условий международных экономических связей. Сличению подлежат как эталоны основных величин системы СИ, так и производных. Установлены определенные периоды сличения. Например, эталоны метра и килограмма сличают каждые 25 лет, а электрические и световые эталоны - один раз в 3 года. Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие (разрядные) эталоны. Размер воспроизводимой единицы вторичным эталоном сличается с государственным эталоном. Вторичные эталоны (их иногда называют «эталоны-копии») могут утверждаться либо Госстандартом РФ, либо государственными научными метрологическими центрами, что связано с особенностями их использования. Рабочие эталоны воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и в свою очередь служат для передачи размера менее точному рабочему эталону (или эталону более низкого разряда) и рабочим средствам измерений. Самыми первыми официально утвержденными эталонами были прототипы метра и килограмма, изготовленные во Франции, которые в 1799 г. были переданы на хранение в Национальный архив Франции, поэтому их стали называть «метр Архива» и «килограмм Архива». С 1872 г. килограмм стал определяться как равный массе «килограмма Архива». Каждый эталон основной или производной единицы Международной системы СИ имеет свою интересную историю и связан с тонкими научными исследованиями и экспериментами. Например, принятый в г. Национальным собранием Франции эталон метра, равный одной десятимиллионной части четверти дуги парижского меридиана, в 1837 г. пришлось пересмотреть. Французские ученые установили, что в четверти меридиана содержится не млн., а 10 млн. 856 метров. К тому же известно, что происходят, хотя и незначительные, но все же постоянные изменения формы и размера Земли. В этой связи ученые Петербургской академии наук в 1872 г. предложили создать международную комиссию для решения вопроса о целесообразности внесения изменений в эталон метра. Комиссия решила не создавать новый эталон, а принять в качестве исходной единицы длины «метр Архива», хранящийся во Франции. В 1875 г. была принята Международная метрическая конвенция, которую подписала и Россия. Этот год метрологи считают вторым рождением метра как основной международной единицы длины.

Уже в XX в. (1967 г.) были опубликованы исследования более точного измерения парижского меридиана, которые показали, что четверть меридиана равна 10 млн. 1954,4 метра.

Таким образом, «метр Архива» всего на 0,2 мм короче меридионального метра. В 1889 г. был изготовлен 31 экземпляр эталона метра из платиноиридиевого сплава. Оказалось, что эталон № 6 при температуре 0°С точно соответствует длине «метра Архива», и именно этот экземпляр эталона по решению Iой Генеральной конференции по мерам и весам был утвержден как международный эталон метра, который хранится в г. Севре (Франция). Остальные 30 эталонов были переданы разным государствам. Россия получила № 28 и № 11, причем в качестве государственного был принят эталон № 28. Погрешность платиноиридиевых эталонов метра, равная + 1,1·10-7 м уже в начале XX в. оценивалась как неудовлетворительная, и в 1960 г.

XI Генеральная конференция по мерам и весам выработала другое определение метра - в длинах световых волн, что основано на постоянстве длины волны спектральных линий излучения атомов. Это основа криптонового эталона метра.

Погрешность криптонового эталона намного меньше, чем платиноиридиевого, и равна 5,0·10-9. Однако в космический век и эта точность оказалась недостаточной, а новейшие достижения науки позволили в 1983 г. на XVII Генеральной конференции мер и весов принять новое определение метра как длины пути, проходимого светом за 1/299792458 доли секунды в условиях вакуума. Следует отметить, что на этой же конференции было объявлено точно определяемое современной наукой значение скорости света.

Не менее интересна история эталона единицы массы.

«Килограмм Архива», который был принят за эталон массы в 1872 г., представляет собой платиновую цилиндрическую гирю, высота и диаметр которой равны по 39 мм. Прототипы (вторичные эталоны) для практического применения были сделаны из платиноиридиевого сплава. За международный прототип килограмма была принята платиноиридиевая гиря, по точности в наибольшей степени соответствующая массе «килограмма Архива». По решению I Генеральной конференции по мерам и весам России из 42 экземпляров прототипов килограмма были переданы № 12 и № 26, причем № утвержден в качестве государственного эталона массы (см. рис.

1). Прототип № 26 использовался как вторичный эталон.

Национальный (государственный) эталон массы хранится в НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (г. Санкт-Петербург) на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе, температура воздуха поддерживается в пределах 20 ±3°С, относительная влажность 65%. Один раз в 10 лет с ним сличаются два вторичных эталона.

При сличении с международным эталоном наш национальный эталон массы получил значение 1,0000000877 кг.

Для передачи размера единицы массы от прототипа № вторичным эталонам используются специальные (на 1 кг) весы № 1 и № 2 с дистанционным управлением. Весы № изготовлены фирмой «Рупрехт», a № 2 - НПО «ВНИИМ им. Д.И.

Менделеева». Погрешность воспроизведения килограмма на данных весах составляет 2·10-9. За 100 с лишним лет существования описанного прототипа килограмма, конечно, были попытки создать более современный эталон на основе фундаментальных физических констант масс различных атомных частиц (протона, электрона и т. д.). Однако на современном уровне научно-технического прогресса пока не удалось воспроизвести этим новейшим методом массу килограмма с меньшей погрешностью, чем существующая. Отклонения массы эталонов, определяемые при международных сличениях, показывают достаточную степень ее стабильности.

§8. Технические средства контроля эффективности обучения Развитие науки и техники позволяет обеспечить эффективный инструментальный контроль над подготовкой в физической культуре и спорте. В том числе имеется возможность более эффективно проводить отбор, прогноз в спорте и контроль эффективности тренировочной работы. Новые технологии позволяют повысить точность инструментальных методов контроля. В этой связи следует упомянуть разнообразные лазерные измерители и анализаторы двигательных характеристик и процессов, протекающих в организме спортсмена. Сюда же нужно включить цифровую фото- и видеорегистрацию, совместимые через инфракрасные порты и высокоскоростные технологии Bluetooth c компьютерами, имеющими большую емкость оперативной и системной памяти, а также компактные носители информации на CD, DVD, USB Flash. Все это позволяет создавать большие компьютерные базы данных на основе сбора показателей организма спортсменов на разных этапах их подготовки.

8.1 Состав измерительной системы Отдельные приборы, измерительные блоки, средства передачи информации объединяют в единую систему. Последняя должна включать датчики различного типа (сенсоры, например, датчики ЧСС типа Polar), каналы связи, приемное (регистрирующее) устройство и блок обработки информации (наиболее часто это компьютер, рис. 2).

Рис. 2. Состав измерительной системы для регистрации состояния В состав измерительной системы часто включаются блоки оптической регистрации движений. Эти блоки представляют собой методы дистанционного и бесконтактного контроля движений. Они служат целям регистрации кинематических характеристик, включая пространственные, временные и пространственно-временные параметры движений. Результаты фотосъемки и/или видеорегистрации движений предназначены либо для их визуального изучения, либо, как сказано выше, для кинематического анализа (регистрация положений, поз, перемещений, скоростей и ускорений). В первом случае результаты исследования представляются в виде фотоснимков, видеофильмов, видеоклипов и др. Во втором случае, в комбинации с компьютерной техникой, имеется возможность регистрировать двигательные характеристики и тем самым осуществлять метрологический контроль технической подготовленности спортсменов. Для решения практических задач в настоящее время широко используется цифровая фото- и видеоаппаратура. Приборы этого типа значительно упрощают обработку материала, особенно при использовании прикладных компьютерных программ. После съемки тренировочного или соревновательного сюжета записанное изображение на карту памяти или DVD прибора (фото- или видеокамеры) может быть отправлено в компьютер, используя USB порт, а также инфракрасный или порт Bluetooth. Положения, позы, перемещения можно подвергнуть детальному анализу, используя программу Adobe Photoshop. Для создания видеоклипов элементов техники движений можно использовать программу Adobe Premier. Для непрерывного контроля игровой деятельности в спортивных играх (баскетбол, футбол, хоккей и др.) используются специальные системы, включающие несколько видеокамер, объединенных в общий контур (например, используя карту видеозахвата изображения) при помощи компьютера.

Запись с цифрового фотоаппарата или видеокамеры можно просмотреть после выполнения упражнения и произвести качественный анализ. Вместе с тем имеется возможность наблюдать движения с помощью видеокамеры в реальном масштабе времени (on-line). Для этого камеру присоединяют к DVD- player, а в том случае, когда требуется выполнить захват изображения и записать его на жесткий диск компьютера, необходимо оборудовать компьютер платой видеозахвата. При работе с аналоговыми видеокамерами установка должна включать преобразователь аналогового сигнала в цифровой. Эту задачу хорошо решают компьютерные платы, называемые TVtuner, которые легко помещаются на «материнскую» плату компьютера. В этом случае наблюдаемое на мониторе компьютера движение спортсмена может быть «захвачено»

(опция «capture» - захват) и записано на жесткий диск для последующей обработки. Этим способом можно регистрировать относительно медленные движения, характерные для гимнастики, акробатики, бега, спортивных игр (то есть не броски и ударные действия). При этом эффективность захвата и записи изображения определяется мощностью процессора компьютера, его быстродействием. Регистрация движений с помощью видеосъемки позволяет эффективно оценивать движения в динамике. Цифровые приборы позволяют фиксировать движения со скоростью более 100 кадров в секунду. Видеозапись изображения движений сочетается с использованием фотоэлектронных методов их регистрации. При помощи фотоэлектронных устройств в спортивной практике точно измеряются моменты окончания движений, например, на финише скоростного бега. Эти методы обладают малой инерционностью и высокой степенью точности.

8.2 Монитор сердечного ритма Специалисты всегда хотели измерить ЧСС в процессе игры.

Для этого приходилось останавливать игрока, «выдёргивать» его из игры, чтобы провести измерения ЧСС пальпаторно. Точность таких измерений была минимальной. С появлением портативных тестеров всё изменилось. Комaнднaя cиcтeмa POLAR – уникальная система для планирования командных тренировок и отслеживания их эффективности. Используется такими грандами европейского футбола, как Реал (Мадрид), ЦСКА (Москва) и др.

Каждый из 10 нагрудных датчиков, поставляемых в комплекте, оснащён памятью на 11часов тренировок (при фиксации пульса каждые 5 секунд). Связь с компьютером через порт USB и специальное программное обеспечение POLAR Precision Performance позволяют вывести тренировочный процесс команды на новый уровень.

Кoмaнднaя cиcтeмa POLAR – этo нaучный пoдxoд к мeтoдикe тpeниpoвoк как пpoфeccиoнaльныx, так и юных cпopтcмeнoв, ocнoвaнный нa изучeнии индивидуaльныx пoкaзaтeлeй дeятeльнocти cepдeчнococудиcтoй cиcтeмы. Сиcтeмa POLAR пoзвoляeт мoтивиpoвaть кaждoгo члeнa кoмaнды, пoлучaть caмую тoчную инфopмaцию o физичecкoм cocтoянии игpoкa и пoддepживaть eгo в мaкcимaльнoй «фopмe», a тaкжe cocтaвлять тpeниpoвoчныe пpoгpaммы. Пpoгpaммa POLAR Precision Performance, входящая в комплект поставки, являeтcя ключeвым кoмпoнeнтoм кoмaнднoй cиcтeмы POLAR и пoзвoляeт пoлучaть, xpaнить и oбpaбaтывaть физиoлoгичecкую инфopмaцию о 7 последних тренировках, кoтopая coбиpaeтся пpи пoмoщи нaгpудныx дaтчикoв. По заявлению производителя, ЧСС определяется с точностью ЭКГ. Можно иcпoльзовать эту инфopмaцию, чтoбы вecти зaпиcи o физичecкoм cocтoянии кaждoгo члeнa кoмaнды, для вeдeния apxивa тpeниpoвoк, a тaкжe для coздaния нoвыx тpeниpoвoчныx пpoгpaмм.

Кaждый игpoк нaдeвaeт нaгpудный peмeнь–дaтчик пульca.

Мигaниe зeлeнoгo индикaтopa в цeнтpe дaтчикa oзнaчaeт xopoший кoнтaкт ceнcopoв c кoжeй, aудиo-cигнaл инфopмиpуeт o тoм, чтo зaпиcь инфopмaции o тpeниpoвкe нaчaлacь.

Рис. 3. Совмещенный график и гистограмма тренировочного времени и Рис. 4. Время тренировки в различных зонах интенсивности Рис. 5. Внешний вид устройства Garmin c нагрудным датчиком ЧСС.

Аналогичного действия делает устройства и фирма «Garmin» (см. рис. 5). Входящий в комплект нагрудный датчик, позволяет с точностью ЭКГ отслеживать ЧСС, а при помощи встроенного GPS модуля спутниковой навигации устройство ведет непрерывное наблюдение за скоростью, пройденным расстоянием, темпом движения, что позволяет повысить эффективность тренировок. С помощью программного обеспечения Training Center, входящего в комплект устройства, можно проводить подробный анализ результатов тренировок на компьютере.

Все представленные выше приборы используются ведущими спортсменами мира. Заявленные параметры погрешности измерения не превышают 1% при измерении ЧСС, и не более 3% при измерении скорости, расстояния и темпа движения, то есть являются объективными с метрологической точки зрения.

Для представителей зальных видов спорта система спутниковой навигации для слежения за скоростью, пройденным расстоянием и темпом движения неприменима. Появилась информация о разработке систем на базе ультразвуковых датчиков. Такие системы применяются в автоматизированных производствах для слежения за перемещением роботов.

8.3 Велоэргометры Для регистрации физической работоспособности и, следовательно, оценки уровня развития выносливости широкое распространение получили велоэргометры. Велотренажеры, величина нагрузки в которых измеряется в Ваттах, которую можно измерить с помощью компьютера, называются велоэргометрами. В отличие от велотренажеров, велоэргометры характеризуются точным контролем нагрузки и точными показаниями. Они имеют магнитную систему нагружения и усложненный компьютер, часто со встроенными программами, которые c высочайшей точностью регулируют сопротивление тренажера в течение всего времени тренировки согласно определенному профилю нагрузки (например «тест Всемирной Организации Здравоохранения», «кардиопрограмма», программа «сжигания жиров») или требуемому уровню пульса («пульспрограмма»). Как правило, они требуют подключения к электросети. Все модели велоэргометров можно подключать к персональному компьютеру при помощи программы ERGOKONCEPT, что безгранично расширяет возможности контроля тренировочного процесса. Ниже приведены модели и характеристики некоторых эргометров, применяемых для нагрузочного тестирования физической работоспособности (рис.

6 и 7). Все модели оборудованы системой регистрации и обработки показателей.

Технические характеристики KETTLER RX • Электромагнитная система нагружения.

• Масса маховика 10 кг.

• Регулировка сопротивления 25-400 Вт с шагом 5 Вт.

• Измерение пульса – датчиком - «клипса».

• Гелевое сиденье, регулируемое по горизонтали и вертикали.

• Транспортировочные ролики и компенсаторы неровности • Максимальный вес пользователя 130 кг.

• Скорость, время тренировки, пройденная дистанция, расход калорий, пульс, частота вращения педалей, средние значения параметров в конце тренировки, графическое отображение нагрузки в Ваттах.

• Контроль над верхним пределом пульса.

• Возможность задавать собственные параметры тренировки.

• 2 встроенные программы, в том числе:

• 1 пульсозависимая программа, • фитнес-тест.

• PC-вход для Ergo-Concept II™ (RS 232) Рис. 6. Велоэргометр Kettler X1 в комплектации с компьютером Технические характеристики KETTLER RX Электромагнитная система нагружения.

Масса маховика 10 кг.

Изменение нагрузки: 25-400 Вт с шагом 5 Вт.

Измерение пульса датчиком - «клипса» (нагрудный кардиодатчик входит в комплект).

Сиденье со спинкой, регулируемое по горизонтали.

Транспортировочные ролики, компенсаторы неровности Максимальный вес пользователя: 150 кг.

Скорость, время тренировки, пройденная дистанция, расход калорий, пульс, частота вращения педалей, средние значения параметров в конце тренировки, графическое отображение нагрузки в Ваттах, дата/время.

Контроль над верхним пределом пульса.

Возможность задавать собственные параметры тренировки.

4 пользовательских профайла + 1 гостевой 48 встроенных программ, в том числе:

5 пульсозависимых программ, 32 пользовательские программы, фитнес-тест PC-вход для Ergo-Concept II™ (USB) Размеры: 150x61x105 см Рис. 7. Велоэргометр KETTLER RX7 в комплектации с 8.4 Беговые дорожки (тредбаны) Кроме велоэргометров нагрузочное тестирование можно проводить при помощи беговых дорожек. Последние бывают двух типов: механические и электрические.

Механические не требуют подключения к сети, так как беговое полотно приводится в движение самим человеком. В электрических дорожках - электродвигателем. Нагрузка в беговых дорожках может регулироваться двумя способами:

изменением угла наклона бегового полотна и изменением скорости движения полотна. Угол наклона варьируется механическим или электрическим способом.

• Механическое изменение - с помощью изменения положения опорных роликов.

• Электрическое - с помощью сигнала от компьютера к электродвигателю (рис. 8).

Рис. 8. Электрическая беговая дорожка для нагрузочного тестирования и тренировки, оборудованная компьютером В беговых дорожках очень важно наличие амортизирующей платформы, уменьшающей нагрузку на суставы. Необходимо иметь в виду то, что чем шире и длиннее полотно - тем комфортней заниматься бегом, а значит, тем лучше дорожка. Для безопасности каждая электрическая дорожка оборудована страховочной системой - ключом безопасности. Все беговые дорожки KETTLER сертифицированы по системе TUF и отмечены знаком Европейского стандарта безопасности GS.

Технические характеристики KETTLER BOSTON XL • Мощность двигателя: 1,8 л.с./ 1,3 кВт.

• Скорость: до 16 км/ч, с шагом 0,1 км/ч.

• Электрическое изменение угла наклона бегового полотна:

• Измерение пульса - датчиком - «клипса» или нагрудным кардиодатчиком.

• Система амортизации KETT.FLEX.

• Складная конструкция.

• Транспортировочные ролики.

• Максимальный вес пользователя: 120 кг.

• Время тренировки, пройденная дистанция, скорость, угол наклона бегового полотна, пульс, расход калорий, среднее время прохождения дистанции, профиль величины нагрузки.

• 10 встроенных программ, в том числе:

• 2 пульсозависимые программы, • 2 целевые (время, дистанция, калории), • 1 пользовательская программа, • функция «Быстрый старт», • фитнес-тест.

• PC-вход для Ergo-Concept™ (RS 232).

§9. Методы регистрации характеристик в спортивной Чаще всего процесс наблюдения за спортсменом связан с применением измерительной аппаратуры. Для этого привлекаются известные фирмы, производящие соответствующее оборудование с очень высокой точностью измерения необходимых параметров.

9.1.

К антропометрическим методам сбора и анализа информации относится и способ изучения схемы построения опорнодвигательного аппарата в виде так называемой фотограмметрии.

Кратко техника фотограмметрии состоит в следующем:

обследуемому предлагают принять естественную, наиболее привычную, удобную позу стояния. Перед ним устанавливают кадровую рамку с сантиметровыми делениями по горизонтальным и одной из вертикальных сторон. Через середину рамки натянута нить, служащая отвесом.

Фотографируют и для графического анализа изготавливают фотоснимки, на которых измеряют расстояние в сантиметрах между передневерхними остями таза, наклон бедер по анатомическим осям относительно вертикали, расстояние между центрами коленных суставов, наклон голеней по анатомическим осям, угол физиологического вальгуса голеней, расстояние между центрами опоры стоп. Этот метод даст возможность определить возрастные особенности схемы построения опорнодвигательного аппарата в норме и при различных патологических состояниях.

Метод оптической компьютерной топографии Важную информацию о геометрии тела человека, об особенностях и нарушении осанки можно получить при исследовании специальным методом компьютерной топографии.

Этот современный и самый точный метод позволяет количественно определить координаты любой анатомической точки поверхности тела. Продолжительность обследования составляет 1 - 2 минуты, поэтому этот метод с успехом применяется для массовых исследований.

Кинезиологические методы Целенаправленные движения человека (локомоции) представляют собой устойчивый паттерн движения, характеризующийся определенными кинематическими, динамическими, временными и пространственными параметрами. Вся совокупность последних может рассматриваться как биомеханическое проявление двигательного образа, который складывается для каждого конкретного человека в период постнатального онтогенетического развития и претерпевает изменения в результате изменений на любом уровне двигательного анализатора в зависимости от возраста и условий функционирования жизнеобеспечивающих систем организма. Естественно, что регистрация кинезиологических параметров движения является необходимой для его характеристики, и при нарушениях функции опорнодвигательного аппарата, и при изучении локомоции спортсмена.

Наиболее достоверные сведения о движении могут быть получены с помощью оптических методов, которые обеспечивают комплексную регистрацию любого количества точек тела человека и внешней обстановки относительно пространственно-временной координатной сетки и дают информацию о кинематике исследуемых точек в форме, удобной для математического анализа. Координаты же, как известно, есть тот материал, из анализа которого может быть почерпнуто максимальное количество сведений о протекании снятого движения. Циклография (от цикла... и...графия) - метод изучения движений человека путём последовательного фотографирования (до сотен раз в секунду) меток или лампочек, укрепленных на движущихся частях тела. Впервые фотографирование фаз движения было предложено в 80-х гг. XIX в. французским учёным Э. Мареем. Н. А. Бернштейн в 20-х гг. XX в.

усовершенствовал и модифицировал этот метод регистрации движений и их метрологическую оценку. Он предложил кимоциклографию - съёмку на передвигающуюся плёнку. На основе анализа циклограмм - циклограмметрии - для ряда движений были получены данные о траектории отдельных точек тела, о скоростях и ускорениях движущихся частей тела, что дало возможность вычислить величины сил, обусловливающих данное движение. Эти сведения легли в основу современных представлений о принципах управления движениями человека, использованы при изучении спортивных движений, двигательных нарушений и др.

Метод кимоциклографии близок к киносъёмке движений с последующей обработкой кадров наподобие циклограмм.

Наиболее простым и часто применяемым на практике видом киносъемки является фотограмметрия. Эта съемка представляет собой регистрацию движений человека и объектов окружающей среды в плоскости, перпендикулярной оптической оси аппарата.

При этом аппарат устанавливается так, чтобы в его поле зрения находилось все, что будет подвергнуто изучению и последующему анализу. Полученные с помощью оптических методов регистрации экспериментальные данные подвергаются математической обработке. В качестве датчиков («светящихся точек») для получения кинематических характеристик движений конечностей применяют метки или электрические лампочки, которые укрепляют на исследуемых суставах. Снаряжение испытуемого почти невесомо, поэтому оно не вносит никаких изменений в структуру двигательного образа. Конвергентная стереофотограмметрическая съемка и зеркальная циклограмметрия тождественны. Действительно, зеркальная циклограмметрическая съемка под углом (угол съёмки между главной оптической осью киноаппарата и плоскостью зеркала) есть не что иное, как съемка двумя аппаратами, оптические оси пространственных координат производится по формулам математической зависимости между пространственными координатами помещения (в случае, если съемка производится в камеральных условиях) и координатами перспективных изображений.

Кроме аналитических методов в настоящее время нашли широкое распространение различные номографические приемы, основанные на известных положениях синтетической геометрии.

Номограмма, с помощью которой осуществляется обработка информации, представляет собой функциональную сетку и служит для получения реальных (действительных) координат любой фиксированной точки на сегменте или суставе конечности.

Электромеханические методы 9.2.

В настоящее время в биомеханических исследованиях широкое распространение получили, наряду с оптическими, и электрические методы регистрации. Это можно объяснить в первую очередь тем, что информация, представленная в виде электрических сигналов, является удобной для обработки радиои электронными приборами. Кроме того, большинство процессов, протекающих в живых организмах, сопровождается различными электрическими явлениями, что облегчает получение информации в виде электрических сигналов.

При использовании электрических методов регистрации неэлектрических величин (каковыми являются кинематические и динамические составляющие движения) в практике биомеханических исследований применяют измерение и регистрацию кинематических составляющих движения. Они осуществляются с помощью линейных потенциометрических датчиков 2 типов: с входной функцией в виде углового и в виде линейного механического перемещения. Потенциометрические датчики преобразуют функцию механического перемещения в аналоговый электрический сигнал, который затем регистрируется в соответствующем масштабе.

Исследование динамических составляющих движения осуществляют с помощью тензометрических методов. В качестве тензочувствительного элемента используют различные тензодатчики - датчики давления. Тензодатчики применяются для определения вертикальных составляющих реакции опоры при ходьбе или для регистрации стабилограмм. Подография регистрация времени опоры отдельных участков стопы при ходьбе, с целью изучения функции переката исследуется при помощи специальных датчиков, вмонтированных в подошву обуви. С помощью электромеханического преобразования имеется возможность точного определения общего центра массы тела человека при изменении поз и положений. Для этого используют метод стабилографии. объективный метод регистрации положения и проекции общего центра масс на плоскость опоры - важный параметр механизма поддержания вертикальной позы. Обычно регистрируют площадь миграции общего центра масс (ОЦМ) в проекции горизонтальной плоскости, совмещенный с очерком стопы.

Радиоэлектронные способы передачи информации 9.3.

Посредством радиоизмерений определяют, например, параметры резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, электровакуумных и полупроводниковых приборов; вид и характер изменений радиосигналов; режимы работы и эксплуатационные характеристики электронной и радиотехнической аппаратуры; уровни шумов и интенсивность излучения. Радиоизмерения осуществляются с помощью радиоизмерительных приборов: генераторов стандартных сигналов, измерительных усилителей, осциллографов, калиброванных источников тока и др. В сочетании с различными преобразователями радиоизмерительные приборы применяют также для определения неэлектрических величин (например, температуры, давления).

К радиоизмерительным приборам относят:

• частотомеры электронно-счетные, стрелочные;

• секундомеры механические, электрические, электронные;

• счетчики импульсов;

• осциллографы универсальные, запоминающие, стробоскопические;

• генераторы сигналов низкой частоты, высокой частоты, специальной формы;

• вольтметры переменного тока, указатели уровня, измерители шумов (псофометры), микровольтметры селективные;

• измерители параметров линий связи: измерители неоднородностей, измерительные кабельные мосты;

• анализаторы спектра;

• измерители нелинейных искажений;

• блоки питания постоянного и переменного тока;

• приборы эргономического контроля; люксметры, шумомеры, приборы измерения электромагнитного поля.

§10. Метрологический контроль технической В содержание этого типа контроля включается оценка объема техники движения спортсмена, разносторонность техники, ее рациональность. То есть определение эффективности того, что умеет спортсмен. Кроме того, важнейшим разделом этого блока контроля является оценка того, как владеет техникой спортсмен - эффективность его техники (рис. 9).

Общий объем Разносторонность Эффективность Рис. 9. Основные критерии технической подготовленности спортсмена Общий объем спортивной техники может быть тренировочным и соревновательным. Оба этих параметра используются при организации контроля технической подготовки спортсмена. Эффективность техники: абсолютная, сравнительная и реализационная - также является объектом метрологического контроля.

Для контроля технической подготовленности спортсмена (ТПС) используют две группы методов:

• визуальные, • инструментальные.

Первая группа методов (визуальные) является наиболее распространенной, особенно в таких видах спорта как гимнастика, акробатика, спортивные игры, единоборства, в фигурном катании и некоторых других видах спорта. Это в основном виды спота, где доминирует кинематическая структура движений. Наблюдения внешней картины движения, выявление их пространственно-временной структуры проводится как начальный этап экспертного оценивания. Этот подход положен в основу оценки эффективности соревновательной деятельности, где судьи-оценщики определяют наиболее совершенную и эффективную соревновательную технику спортсмена.

За эталонную технику в этом случае выбирают техническое выполнение упражнения выдающимся спортсменом (в том числе технику чемпионов и рекордсменов мира или Олимпийских игр).

При этом большое значение имеет не внешняя картина перемещений атлета, а динамическая структуры или внутреннее содержание движения (усилия, приложенные к опоре или снаряду). Поэтому спортивный результат во многом зависит от того, как точно спортсмен воспроизводит усилия, скорость их изменения, что в свою очередь зависит от степени совершенства его нервно-мышечного аппарата и сенсорных систем организма (зрительной, слуховой, проприоцептивной и др.).

В связи с тем, что точность аппаратурной регистрации различных биомеханических параметров значительно превышает разрешающую способность сенсорных систем организма, появляется возможность использовать аппаратные средства как дополнение к нашим органам чувств. Например, метод электротензометрии позволяет зарегистрировать и измерить усилия, развиваемые спортсменом при выполнении различных физических упражнений и представить эти усилия на мониторе компьютера в удобной для наблюдения форме. Для регистрации двигательных характеристик с целью оценки технической подготовленности спортсмена используются разные измерительные системы. Примером такой системы могут служить мониторы сердечного ритма типа Polar (Финляндия) (рис. 10).

Рис. 10. Внешний вид регистрирующего устройства - монитора сердечного ритма (выполненного в виде наручных часов) С помощью монитора типа RS800 можно осуществлять контроль и измерения средней длины шага, темп и ритм беговых шагов. А также средние и пиковые значения частоты сердечных сокращений (ЧСС) при любой форме двигательной активности, то есть практически в любом виде спорта. В приборе имеется большой запас компьютерной памяти, плюс новый датчик шага.

Это позволяет детально регистрировать скорости на дистанции кинематического уравнения вида:

где V - скорость горизонтального перемещения в шагательных локомоциях (например, бег, ходьба и др.), Т - частота шагов или темп, L - средняя длина одиночного шага.

Состав сложной измерительной системы - это перечень всех элементов в нее входящих, и направленных на решение задачи измерения (рис. 11).

Рис. 11. Схема состава измерительной системы Характеристика составных частей измерительной системы 1. Объектом измерения может быть любая физическая или химическая реальность окружающего мира.