МИНИСТЕРСТВО СПОРТА, ТУРИЗМА И МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Российский государственный университет физической культуры, спорта,
молодежи и туризма (ГЦОЛИФК)»
Иркутский филиал ФГБОУ ВПО «РГУФКСМиТ»
БИОМЕХАНИКА
Программа дисциплины федерального компонента цикла ЕН для студентов, обучающихся по специальности 032101.65 «ФИЗИЧЕСКАЯ КУЛЬТУРА И СПОРТ»
и направлению 032100.62 «ФИЗИЧЕСКАЯ КУЛЬТУРА»
ИРКУТСК – 2011 Программа рассмотрена на заседании Программа утверждена и рекомендована кафедры ЕН с курсом МБД Научно-методическим советом Протокол № от _ Иркутского филиала ФГБОУ ВПО Зав. кафедрой «РГУФКСМиТ»
Протокол № от _ А.М.Садовникова Председатель НМС _ Н.Г.Богданович Составитель – Уманец Виталий Алексеевич, к.х.н., доцент, профессор кафедры ЕН КМБД Программа дисциплины компонента цикла ЕН составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования второго поколения по специальности 032101.65 «Физическая культура и спорт» и направления 032100.62 «Физическая культура».
I. ОРГАНИЗАЦИОННО- МЕТОДИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ.
1. 1 Цель курса:Ознакомить студентов с биомеханическими основами строения двигательного аппарата человека и спортивной техники, привить умение и навыки для правильного применения физических упражнений в качестве специфического средства оздоровительной физической культуры и спортивной тренировки.
1.2. Задачи курса Раскрыть сложность строения двигательных действий человека, которая обусловлена сложностью строения его двигательного аппарата и системы управления движением, подчинением движений не только законам механики, но и биологии, высшей психологической деятельности человека.
В результате прохождения курса биомеханики студенты должны овладеть профессионально-педагогическими навыками обоснования спортивной техники и вспомогательных упражнений, умело их использовать во время педагогических занятий и в научных исследованиях.
1.3 Место курса в профессиональной подготовке выпускника Необходимость введения учебного курса Биомеханика» обусловлена тем, что одной из основных ее задач является изучение закономерностей строения, формирования и совершенствования двигательных действий, используемых в качестве физических упражнений, одного из основных средств физического воспитания и спортивной тренировки. С практической точки зрения биомеханика позволяет найти ответ на один из главных вопросов педагогики — чему учить?
Изучение данного курса тесно связано с такими дисциплинами как физика, анатомия, биохимия, физиология, психология. Вызвано это тем обстоятельством, что для углубленного понимания физической сущности двигательных действий человека необходимо учитывать не только законы механики, но и закономерности более высокого порядка (биологические.
психологические, социальные и др. ) 1.4. Требования к уровню освоения курса.
В результате изучения курса студент должен знать основные понятия и методы исследования в биомеханике, научиться разбираться в сложности двигательных актов, учитывать зависимость этой сложности от множества факторов, изменяющихся в процессе обучения и тренировки. На этой основе будущие преподаватели-тренеры должны быть знакомы с различными подходами к биомеханическому обоснованию техники физических упражнений, уметь применять их на практике.
Биомеханическое обоснование спортивной техники в конкретном виде спорта рекомендуется проводить (на занятиях по спортивной специализации, в период педагогической практики) более углубленно с использованием знаний по биомеханике спорта. Особое внимание студентов должно быть обращено: на подбор упражнений для совершенствования двигательных качеств и овладения техникой спортивных упражнений, оценку их исполнения и разбор ошибок.
Значительное место в овладении данным курсом отводится самостоятельной работе студентов, которая включает выполнение контрольных и расчетно - графических работ.
II. СОДЕЖАНИЕ КУРСА.
Раздел 1. Общая и дифференциальная биомеханика.Раздел 2. Частная биомеханика Раздел 1. Общая и дифференциальная биомеханика.
1.1. Биомеханика как учебная и научная дисциплина. Направления развития биомеханики как науки. Теоретические основы управления двигательными действиями человека.
Тема 1.1. Введение. Предмет и метод биомеханики, история развития.
Биомеханика как наука и учебная дисциплина. Механические явления в живых системах. Понятие о формах движения материи. Особенности механического движения человека. Задачи и направления развития общей биомеханики движений человека. Теория и метод биомеханики спорта как науки. Развитие отечественной школы биомеханики — П.Ф.Лесгафт, И.М.Сеченов, А.А.Ухтомский, Н.А.Берштейн и др. Современное состояние биомеханики. Направления развития биомеханики.
1.2. Двигательный аппарат человека, соединение звеньев и степени свободы, биомеханика мышц.
Тема 1.2. Биомеханические характеристики тела человека и его движений. Кинематика движений человека.
Пространственные характеристики. Система отсчета. Естественный, координатный и векторный способы задания положения точки в пространстве. Траектория точки в пространстве и ее характеристики.
Способы задания координат твердого тела и системы тел.
Временные характеристики: длительность движения, темп и ритм движения. Хронограмма движения и ее практическое значение.
Пространственно-временные характеристики. Скорость точки и тела.
Ускорение точки и тела. Естественный, координатный и векторный способы описания движения точки. Переход от координатного способа к естественному.
Тема 1.3. Динамика движений человека.
Инерционные характеристики: масса тела, момент инерции тела.
Силовые характеристики: сила, момент силы, импульс силы, импульс момента силы. Количество движения и импульс силы; кинетический момент и импульс момента силы.
Тема 1.4. Механическая работа и энергия при движениях человека.
Энергетические характеристики. Работа силы и ее мощность.
Кинетическая, потенциальная и полная механическая энергия тела.
Тема 1.5. Методы исследования в биомеханике.
Методологические основы изучения двигательной деятельности.
Понятие о действии, умении и навыке. Роль и место биомеханики в их изучении.
Логика построения исследований: логико-статистический метод и метод регрессионных остатков. Качественный и количественный биомеханический анализы. Основные этапы анализа и их назначение.
Системно-структурный подход и метод биомеханического обоснования спортивной техники. Строение двигательного действия. Система движений, ее состав и структура. Основы действия: механические — детерминизм, неопределенность, непредсказуемость; биологические — неоднозначность, целенаправленность, вариативность, адаптация; психологические — мотивация, смысловое содержание, самоконтроль. Системные свойства двигательного действия. Понятие о методах механико – математического моделирования. Инструментальные методики исследования движения.
Механико-электричес кие (гониометрия, спидометрия, акселерометрия, динамометрия, стабилометрия и др.). Оптические и оптико-электронные системы (биомеханическая фото и киносъмка, видеосъмка, телевизионные Электрофизиологические методы (электромиография).
Тема 1.6. Биомеханика опорно-двигательного аппарата человека Строение пассивной части двигательного аппарата человека. Тело человека как многозвенная система. Кинематические пары и движения в суставах. Степени свободы и связи в движениях. Открытые и замкнутые кинематические цепи. Механические свойства связок и сухожилий.
Трибология суставов. движения в кинематических цепях.
Рычаги в биокинематических цепях. Условия равновесия рычагов.
Составные рычаги. действие силы под углом к плечу рычага. «Золотое правило» механики. Действие силы тяги мышц на костные рычаги.
Тема 1.7. Биодинамика мышц Основные типы мышц. Общие понятия о структуре и биохимическом составе поперечно-полосатых мышц. Типы мышечных волокон в скелетных мышцах и их биомеханические особенности Мышечное сокращение :модель скользящих нитей. Механические свойства мышц — мышца как вязко упругое тело (механическое напряжение, деформация, упругость, вязкость, механическая прочность и др.) Трехкомпонентная механическая модель мышцы. Механические свойства пассивной мышцы, зависимость «длинанапряжение».
Мышца в активном состоянии: возбудимость, сократимость.
Мышечная тяга и факторы е определяющие. Последовательность событий в развитии активного состоянии и тетануса. Влияние нагрузки на механику мышечного сокращения. Зависимостью силы тяги — длина активной мышцы для различных типов мышц. Зависимость между силой тяги мышцы и скоростью изменения длины, в преодолевающем и уступающем режимах.
Уравнение Хилла. Работа, мощность и энергия мышечного сокращения.
Механическое действие мышц. Факторы, определяющие силу и результат тяги мышцы (механические, анатомические и физиологические).
Режимы работы мышц. Групповые взаимодействия мышц: рабочие и опорные тяги. Биодинамически полносвязный механизм:
взаимодействие и роль мышц синергистов и антогонистов. Мышечные тяги в биокинематических цепях, мышечные синергии.. Проблема избыточности в управлении мышечной активностью.
Тема 1.8. Биодинамика движений человека Геометрия масс тела человека: массы и моменты инерции звеньев тела человека, общий и частный центр масс тела и его звеньев, центр объма и центр поверхности тела.
Силы в движениях человека Силы внешние как меры действия внешних тел, среды и опоры на тело человека. Силы инерции внешних тел, силы упругой деформации, силы тяжести и веса, силы реакции опоры. Роль сил в движениях человека. Силы внутренние как мера взаимодействия частей тела и тканей тела человека.
Силы в пассивных элементах двигательного аппарата человека. Силы внутрибрюшного давления. Экспериментальные и аналитические способы определения внутренних сил. Фракции полной механической энергии.
Теорема Кенига. Работа перемещении: внутренняя и внешняя работа, вертикальная и продольная работа. Экономия механической энергии: обмен энергии, переход энергии от звена к звену, использование потенциальной энергии упругой деформации мышц и сухожилий.
Методы измерения работы и энергии при движениях человека.
1.3. Двигательные качества спортсмена, факторы определяющие проявление двигательных качеств и биомеханические требования к их воспитанию.
Тема 1.9. Биомеханические аспекты управления движениями человека.
Основные понятия теории управления. Аппарат управления и аппарат исполнения. Состояния аппарата исполнения — начальное, промежуточное и конечное. Цели управления, программа поведения, конечный результат.
Воздействия управляющие и сбивающие. Способы организации управления в самоуправляемых системах. Программный способ управления. Каналы прямой и обратной связи. Незамкнутые и замкнутые контуры управления.
Циклы взаимодействия — центральные и периферические. движение информации по каналам связи. Биомеханические аспекты управления мышечной активностью. Проблемы избыточности в управлении мышечной активностью. Принцип неоднозначности нервного импульса, мышечной силы и заданного движения. Модель потребного будущего. Управление и регуляции. Произвольный контроль и сенсорные коррекции.
энергообеспечивающие и формообразующие.
Тема 1.10 Биомеханика двигательных качеств.
Понятие о моторике человека как совокупности его двигательных возможностей. двигательные качества - качественно различные стороны моторики. Явные, видимые, доступные непосредственному измерению и латентные, скрытые, недоступные непосредственному измерению показатели двигательных качеств.
Параметрические и непараметрические зависимости между силой, скоро стью и длительностью двигательных заданий.
Биомеханическая характеристика силовых качеств. Сила действия чело века. Понятие о силовых качествах.
Зависимость силы действия человека от параметров двигательных заданий (перемещаемой массы, скорости, направления движения, природы сил со противления). Положение тела и сила действия человека. Выбор положения тела при тренировке силы.
Топография силы. Биомеханические особенности тренировки силы отдельных мьишечных групп. Биомеханические требования к специальным силовым упражнениям. Метод сопряженного воздействия.
Биомеханическая характеристика скоростных качеств. Понятие о скоро стных качествах. Динамика скорости/Скорость изменения силы - градиент силы. Пара метрические и непараметрические зависимости между силовыми и скоростными качествами. Биомеханические аспекты двигательных реакций.
Биомеханическая характеристика выносливости. Основы эргометрии.
Правило обратимости двигательных заданий. Утомление и его биомеханиче ские проявления. Выносливость и способы ее измерения.
Проблема экономизации спортивной техники; брутто-, нетто- и дельтакоэффициенты экономичности. Биомеханические основы экономизации спортивной техники. Особенности спортивной техники в упражнениях, требующих большой выносливости.
Биомеханические характеристики гибкости. Понятие о гибкости.
Методы ее измерения. Активная и пассивная гибкость. Влияние гибкости на спортивную технику.
тренажеров для воспитания двигательных качеств.
1.4. Основные показатели спортивно-технического мастерства;
особенности двигательных возможностей человека.
Тема 1.11. Спортивно-техническое мастерство.
Понятие о спортивной технике. Показатели технического мастерства.
Две группы показателей: 1) что умеет делать спортсмен (объем, разносторонность, рациональность техники); 2) как он это умеет делать (эффективность и освоенность техники). Разновидности эффективности (абсолютная, сравнительная и реализационная) техники и способы их оценки. Показатели освоенности техники (стабильность, устойчивость, автоматизированносгь выполнения). дискриминативные признаки спортивной техники.
Тема 1.12. Дифференциальная биомеханика.
Дифференциальная биомеханика - раздел биомеханики, изучающий индивидуальные и групповые особенности движений и двигательных возможностей человека.
Телосложение и моторика человека. Влияние тотальных размеров тела людей на их двигательные возможности. Влияние пропорций тела и конституциональных особенностей.
Онтогенез моторики. Роль созревания и научения в онтогенезе моторики. Двигательный возраст, акселераты и ретарданты. Явление гомеореза моторики. Прогноз развития моторики на основе изучения стабильности двигательных показателей и наследственных влияний.
Развитие движений в различные периоды жизни человека: от момента рождения, в младенческом возрасте до одного года, в дошкольном возрасте до трех лет, дошкольном 3-7-и лет, школьном 7-17-ти лет, в возрасте 18-30ти лет, старше 30-ти лет. Влияние возраста на эффект обучения и тренировки.
Особенности моторики женщин. Двигательные, в частности спортивные, возможности женщин. Биомеханические особенности телосложения и их влияние на моторику.
Двигательные предпочтения, в частности двигательная асимметрия и ее значение в спорте.
(Сохранение положения тела человека и движения на мест, циклические и ациклические локомоции. Механизмы создания и управления вращательными движениями;
Тема 2.1. Движения вокруг осей.
Понятие о вращательном движении. Движение звеньев в суставе (ось вращения в суставе, качение, скольжение и кручение, понятие о конгруэнтности суставных поверхностей). Зависимость углового ускорения звена от моментов внешних доя него сил и его собственного момента инерции. Роль упругих и инерционных сил в биокинематической паре.
Вращение звена под действием суставной силы. Движение звеньев кинематической цепи вокруг осей как результат сложения вращательного и радиального движений. Кинематика пары вращений. Изменения момента инерции при радиальном движении. Теорема об изменении кинетического момента системы в приложении к кинематической цепи. Движения биомеханической системы без опоры и при опоре. Закон сохранения кинетического момента. Особенности его проявления в незамкнутой системе.
Взаимодействие тела человека с опорой как причина изменения движения вокруг осей.
Основные способы управления движениями вокруг осей с изменением и сохранением кинетического момента: приложение внешней силы, изменение радиуса инерции, активное создание момента внешней силы, группирование и разгруппирование тела, встречные круговые движения конечностями и изгибания туловища. Сложение вращательного и поступательного движений. Мгновенная ось вращения.
Тема 2.2. Сохранение положения тела и движения на месте.
Положение тела человека (место, ориентация и поза). Силы возмущающие и уравновешивающие (их источники и действие). Условия равновесия тела человека (системы тел) и показатели устойчивости.
Сохранение положения тела человека в условиях отсутствия и наличия внешних возмущающих воздействий (рецпрокный характер взаимодействия мышц антагонистов, изменение жесткости связи в суставах, компенсаторные и амортизирующие движения, балансирование и др.).
Биодинамика осанки статической и динамической. Нарушения и восста новление правильной осанки. Движения на месте как изменения позы без перемены опоры. Условия движения на месте, сохранение равновесия и места опоры. Сохранение и изменение движения центра масс системы.
Взаимодействие опоры, опорных и подвижных звеньев. Роль реактивных внешних сил. Сохранение и изменение количества движения системы.
Преодолевающие и уступающие движения при опоре. Механизмы притягивания и огггалкивания. Условия активного и пассивного приближения и отдаления относительно верхней и нижней опоры.
Тема 2.3. Локомоторные движения.
Локомоторные движения при взаимодействии с опорой (наземные) и средой (водные). Механические условия создания движущих сил при отталкивании от опоры в наземных и водных локомоциях. Работа внутренних сил и изменение кинетической энергии тела человека. Сила реакции опоры при отталкивании и ее составляющие. Соотношение движущих и тормозящих сил. Скорость, длина, частота и ритм шагов. Стартовые действия: стартовые положения, движения и разгон. движение по дистанции и финиширование.
Взаимодействие звеньев тела в наземных локомоторных движениях.
Механизм собственно отталкивания от опоры. Механизм движения маховых звеньев. Механизм перевернутого маятника.
Виды наземных локомоций. Биомеханика ходьбы: элементы шагательных движений при опоре и переносе ног; сопутствующие движения туловища и рук. Биомеханика бега: период полета - вынос ноги, опускание на опору; периоды опоры - подседание, отталкивание.
Биомеханика прыжка, подготовка к отталкиванию, отталкивание, полет, амортизация.
Передвижение со скольжением; скользящий шаг на лыжах, отталкивание лыжами и палками.
Передвижение с опорой на воду: плавучесть, сопротивление среды, механизм гребка.
Передвижения с механическими преобразованиями движений.
Передача усилий при педалировании на велосипеде. Передача усилий при академической гребле.
Тема 2.4. Перемещающие движения.
Виды перемещающих движений и требования к ним. Основы механики полета снарядов. Скорость, высота и углы вылета снаряда. Влияние вращения снаряда и сопротивления воздуха на траекторию его полета.
Гироскопический эффект и эффект Магнуса. Биомеханика бросков и метаний. Фазовый состав движений. Взаимодействие звеньев тела и сила действия. Скорость в перемещающих движениях. Механизм «хлеста» и поворотное движение целостной кинематической цепи.
Биомеханика ударных действий. Основы теории удара (понятие о меха ническом ударе, виды ударов и ударный импульс). Фазы ударных действий.
Роль ударной массы.
Точность в перемещающих движениях. два вида точностных заданий.
Понятие о целевой точности и способы ее измерения. Влияние биомеханичеких характеристик движения и условий их выполнения на целевую точность.
3. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для Тема 1.1. Что изучает биомеханика и каковы задачи спортивной биомеханики? В чем отличие механических движений человека от движений обычных материальных тел? Каковы основные направления развития биомеханики как науки?
Тема 1.5. В чем различие между понятиями «движение», «двигательное действие» и «двигательная деятельность»? Какова основная роль биомеханики в изучении двигательных действий? Перечислите основные этапы биомеханического обоснования строения двигательного действия. В чем различие между прямой и обратной задачами механики при использовании механико-математических методов исследования?
Перечислите основные этапы создания теоретических (умозрительных или математических) моделей двигательного аппарата человека. В чем принципиальное различие между оптическими и механико-электрическими методиками регистрации движений человека?
Тема 1.6. В чем различие между замкнутыми и незамкнутыми кинематическими цепями? Как определить подвижность кинематической цепи? С какой целью в биомеханике используют механическую модель мышцы? Как зависят сила тяги пассивной и активной мышцы от ее длины?
При каких из трех режимах мышечного сокращения (преодолевающий, изометрический или уступающий) мышца проявляет наибольшую силу тяги?
При каких соотношениях силы и скорости изменения длины мышцы (в преодолевающем режиме) наблюдается максимальная мощность ее сокращения? Почему в большинстве суставов тела человека мышцы проигрывают в силе тяги за костный рычаг, но выигрывают в скорости его движения? Какова, с биомеханической точки зрения, функция двусоставных мышц?
«