Способ оценки эффективности дыхательных движений спортсмена в упражнениях гиревого спорта
METHOD FOR EVALUATING THE EFFECTIVENESS OF AN ATHLETE'S RESPIRATORY MOVEMENTS IN KETTLEBELL LIFTING EXERCISES

Изобретение относится к спорту, в частности к оценке эффективности дыхательных движений спортсмена в упражнениях гиревого спорта.
Во всех видах спорта, в том числе и в гиревом спорте, эффективность тренировочного процесса спортсменов повышается за счет различных методик применения средств общей и специальной физической подготовки. В гиревом спорте применяются упражнения силовой и скоростно-силовой направленности [1]. Установлена эффективность отдельных методик тренировки устойчивости гиревиков к гипоксии и приводятся алгоритмы дыхания в упражнениях гиревого спорта [2]. Российские ученые и специалисты в гиревом спорте указывают на влияние ритмичного дыхания на показатели силовой выносливости спортсменов-гиревиков. Также и в зарубежных источниках находим утверждения о важности навыков дыхания в гиревом спорте и при выполнении развивающих упражнений с гирями [3].
Техническая проблема координации внешнего дыхания с двигательными действиями в спорте наиболее остро проявляется в скоростно-силовых, а также в циклических упражнениях. Эффективность внешнего дыхания является важным фактором, влияющим на выносливость спортсмена. Поэтому применение современной технологии контроля и оценки эффективности дыхательных движений спортсмена в соревновательных двигательных действиях является актуальной задачей.
Уровень техники.По патенту RU 2414170 известен «Способ исследования механики дыхания» [4], где одновременно регистрируются сигналы электромиографии с дыхательных мышц и скоростные характеристики вдыхаемого/выдыхаемого воздуха при различных дыхательных маневрах (пневмотахограмма). Совместное использование электромиографии и пневмотахографии позволяет неинвазивно установить взаимосвязь между активностью дыхательной мускулатуры и скоростью (ускорением) вдыхаемого/выдыхаемого воздуха. Недостатком способа является то, что исследование дыхания не связано с выполнением физических упражнений.
По патенту RU 2638291 известен «Способ оценки эффективности работы дыхательных мышц» [5], основанный на анализе изменения амплитуды электромиографического сигнала относительно динамики изменения экспираторного усилия. Этот способ может применяться для прогнозирования уровня физической выносливости и работоспособности человека и может быть использован для профессионального отбора и выбора тактики тренировки спортсмена. Недостаток способа заключается в том, что он применяется вне связи с воздействием конкретного физического упражнения на внешнее дыхание.
Вместе с тем, известен способ исследования локомоторно-респираторного сопряжения в ходьбе человека [6], который предусматривает синхронную регистрацию сигналов постановки стопы на опору и дыхательных циклов. Данный способ основан на оценке частотного и фазового сопряжения импульсов ударов пятки на опоре и аппроксимированной синусоидальной кривой сигнала дыхательных циклов.
Несмотря на ряд положительных проявлений, вышеупомянутый способ имеет низкую эффективность.
Технический результат предлагаемого изобретения направлен на оценку эффективности дыхательных движений при выполнении упражнений с гирями. Полученные количественные оценки могут быть использованы в технологиях корректировки навыков выполнения заданных упражнений в гиревом спорте.
Технический результат достигается тем, что оценка эффективности дыхательных движений спортсмена при выполнении упражнений с гирей или гирями осуществляется с применением программно-аппаратного комплекса (ПАК), регистрирующего движения спортсмена и его дыхания. Причемновым является то, чтоисследователь и/или спортсмен из библиотеки программпрограммно-аппаратного комплекса выбирает программу тестирования спортсмена, при этом  комплекс содержит: регистратор   сигналов с заданным количеством датчиков, которые закреплены в заданных местах на теле спортсмена и регистрируют перемещения и ускорения тела спортсмена в пространстве, а также заданные параметры его дыхания; средства отображения графической информации: мониторы и/или проекторы,  показывающие исследователю и/или спортсмену на заданном удалении графики периодических изменений вертикальной составляющей ускорения туловища спортсмена и объемной скорости воздушного потока при дыхании, регистрируемого спирографом или пневмотахографом, во время выполнения упражнения или дополнительно, в заданных режимах тестирования, показывающие время выполнения упражнения и/или количество подъемов спортивного снаряда. При этом предъявляемые графики в динамических фазах упражнения, исключая статические позы, после обработки данных заданной компьютерной программой накладываются друг на друга в заданном масштабе. Графики предъявляются исследователю и/или спортсмену в режиме реального времени или после выполнения упражнений.
Расчет эффективности дыхательных движений спортсмена осуществляется заданной компьютерной программой обработки графиков, которая превращает графики регистрируемых сигналов в графики периодических колебаний, для сравнения вертикальной составляющей ускорения туловища спортсмена и объемной скорости воздушного потока при дыхании по частоте и по совпадению начальной фазы.
Оценка эффективности дыхательных движений спортсмена определяется заданной компьютерной программой путем вычисления среднеарифметического значения расхождения частоты и начальной фазы вертикальной составляющей ускорения туловища спортсмена и объемной скорости воздушного потока при дыхании спортсмена в заданном количестве подъемов.
В этом заключается совокупность основных существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “новизны”.
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию “изобретательский уровень“, заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники и имеет значительный изобретательский шаг. Следовательно, заявленный способ соответствует условию “изобретательский уровень“.
Технический характер решения подтверждается наличием технического результата, получаемого при осуществлении данного изобретения. Предложенный способ впервые указывает путь и комплекс технических ресурсов, при помощи которых поставленная задача может быть решена.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показан результат аппроксимации графиков спортсмена МСМК Г-ва; на фиг.2 - результат аппроксимации графиков спортсмена КМС Б-на.
При осуществлении заявляемого способа могут использоваться известные технические решения и средства, для компьютерной обработки информации может быть использовано оригинальное или известное программное обеспечение.
Весьма существенным является использование закономерности влияния внешней периодической возмущающей силы на непроизвольное формирование дыхательных движений при выполнении физических упражнений. Регистрируемая вертикальная составляющая ускорения туловища является отражением периодически изменяющейся внешней возмущающей силы, а объемная скорость воздушного потока при дыхании – вынужденных дыхательных движений грудной стенки. Синхронизация частоты и начальной фазы между этими двумя регистрируемыми сигналами объясняется тем, что периодическая внешняя возмущающая сила, возникающая во время двигательных действий, «захватывает» дыхательные движения спортсмена на частоте двигательных действий с некоторым сдвигом (запаздыванием) начальной фазы.
Соревновательные упражнения с гирями 32 кг выполняются в течение 10 минут и оказывают большую нагрузку для дыхательной системы спортсмена. Для предотвращения влияния фактора утомления, тестирование, в зависимости от подготовленности спортсмена, ограничивают заданным количеством подъемов гирь за определенный период времени.
Предлагаемый способ оценки эффективности дыхательных движений в упражнениях гиревого спорта осуществляется следующим образом.
Исследователь из библиотеки компьютерных программ ПАК выбирает программу оценки эффективности дыхательных движений спортсмена. На туловище спортсмена, в поясничной области, закрепляется датчик ускорения, а на его голове с помощью шлема фиксируется датчик спирографа или пневмотахографа. Датчики соединяются с регистратором сигналов ПАК по радиоканалу или по проводной сети. После команды «Старт» спортсмен выполняет заданное количество подъемов гирь за определенный период времени. В процессе выполнения упражнения, ПАК, в режиме реального времени показывает время выполнения упражнения и/или количество подъемов спортивного снаряда, регистрирует и обрабатывает: изменения вертикальной составляющей ускорения туловища спортсмена и объемную скорость воздушного потока при дыхании, а также визуализирует на мониторе исследователя графики исследуемых показателей в заданном масштабе и заданной формы для сравнения вертикальной составляющей ускорения туловища спортсмена и объемной скорости воздушного потока при дыхании по частоте и по совпадению начальной фазы.
На графиках выбирается отдельная область двигательного действия спортсмена в динамических фазах, исключая статические позы. Графики накладываются друг на друга для удобства их восприятия в режиме реального времени. Проводится аппроксимация кривых в выбранной области графиков по выбранной формуле периодической функции, повторяющей свои значения через некоторый регулярный интервал, наиболее близкой по характеру к регистрируемым сигналам.
Рассчитывается коэффициент синхронности, как отношение частоты аппроксимированной кривой вертикальной составляющей ускорения туловища к частоте аппроксимированной кривой объемной скорости воздушного потока при дыхании.
Рассчитывается коэффициент подготовленности, как отношение начальной фазы аппроксимированной кривой вертикальной составляющей ускорения туловища к начальной фазе аппроксимированной кривой объемной скорости воздушного потока при дыхании.
k
k
C
П
Оценка через коэффициент синхронности  позволяет оценить общий двигательный опыт в упражнении, а через коэффициент подготовленности  – степень совершенствования дыхания в отдельном упражнении.
k
Э
Рассчитывается общий коэффициент эффективности: . Эффективный диапазон значений коэффициента  стремится к единице в диапазоне 0,90 – 1,10 ед.
Для повторного детального анализа эффективности выполнения упражнения спортсменом, полученные графики воспроизводятся на мониторе повторно или распечатываются для архивирования на бумаге.
Пример реализации способа. Требуется оценить эффективность дыхательных движений двух спортсменов в упражнении «толчок» гиревого спорта: мастера спорта России международного класса (МСМК) Г-ва и кандидата в мастера спорта (КМС) Б-на. Спортсмены экипируются регистратором сигналов, который с помощью ремней фиксируется на спине, датчиком ускорения, расположенным на поясе, а также шлемом на голове с закрепленным на нем датчиком спирографа. Датчики соединяются с регистратором сигналов. Спортсмены становятся на разные помосты и готовятся к выполнению заданного упражнения. Выполняется проверка работоспособности каждого из двух комплектов ПАК. Тестируется передача сигналов на компьютер и визуализация характеристик пробных двигательных действий спортсменов на мониторах. После команды «Старт» спортсмены выполняют заданное упражнение в течение одной минуты. В данном примере спортсмен МСМК выполнял 12 подъемов, а спортсмен КМС – 6 подъемов двух 32 кг гирь.
С помощью выбранной программы анализа различных кривых на мониторе отображаются графики «а(t) верт» – вертикальной составляющей ускорения туловища и «Поток» – объемной скорости воздушного потока при дыхании (Фиг.1 и Фиг. 2). На графиках поочередно выбирают области динамической фазы двигательного действия спортсмена от полуприседа до фиксации гирь вверху в каждом подъеме (12 – МСМК и 6 – КМС). По выбранной формуле периодической функции , наиболее близкой по характеру к регистрируемым сигналам, проводят аппроксимацию кривых в выбранной области графиков. Область аппроксимации на графиках ограничены знаками от начала «[» до завершения динамической фазы «]» (Фиг.1 и Фиг. 2).
На графиках (Фиг. 1 и Фиг. 2) приводятся следующие условные обозначения:
2
a(t)верт, – вертикальная составляющей ускорения туловища (м/с);
Поток, – объемная скорость воздушного потока при дыхании, регистрируемая спирографом (пневмотахографом) (л/с);
В
t
С
периодическая функция для аппроксимации реальных графиков, где А – амплитуда сигнала,  – частота (рад/с),  – время (с),  – начальная фаза (рад), D – начальное положение графика на оси ординат.
Correlation, – коэффициент корреляции синусоид с реальными графиками;
RMSE, – среднеквадратичное отклонение амплитудных показателей регистрируемых сигналов.
Так как сигналы имеют различную размерность, то коэффициенты A, D и значения RMSE здесь не рассматриваются.
На основе полученных данных рассчитывается коэффициент синхронности для каждого подъема:
,
1
2
где В – частота аппроксимированной кривой вертикальной составляющей ускорения туловища, В – частота аппроксимированной кривой объемной скорости воздушного потока при дыхании.
Рассчитывается коэффициент подготовленности для каждого подъема:
,
1
2
где С – начальная фаза аппроксимированной кривой вертикальной составляющей ускорения туловища, С – начальная фаза аппроксимированной кривой объемной скорости воздушного потока при дыхании.
Вычислялись средние значения коэффициентов у МСМК в 12 подъемах, а у КМС в 6 подъемах. Результаты расчетов показателей МСМК Г-ва приведены в таблице1 и результаты КМС Б-на – в таблице 2.
В табл. 1 минимальные различия средних значений В1 и В2, а также незначительное отставание средних значений С2 от С1 означает вынужденный характер дыхательных движений, в зависимости от внешней возмущающей силы в динамических фазах двигательного действия и состояние, близкое к резонансному.
k
k
k
C
П
Э
В табл. 2 средние значения коэффициентов , , больше единицы. На рисунке (Фиг. 2) видно, что кривая графика «Поток» находится в противофазе с графиком «а(t) верт» в момент его максимального значения. Средние значения коэффициентов и визуальные признаки указывают на отсутствие координации дыхательных движений с двигательными действиями в динамической фазе двигательного действия.
Таблица 1 Протокол исследования МСМК Г-ва
№ п/п
В1рад/с
С1рад
В2 рад/с
С2рад
k<sub>C</sub>
k<sub>П</sub>
k<sub>Э</sub>
1
10,55
3,61
10,54
3,67
1,00
0,98
0,98
….
12
10,57
3,60
10,52
3,67
1,00
0,98
0,98
Среднеезначение
10,56
3,60
10,53
3,67
1,00
0,98
0,98
k
k
k
Э
C
П
Заключение 1. МСМК Г-ев: эффективность дыхательных движений высокая, = 0,98; наблюдается синхронность дыхания и двигательных действий,  = 1,00; подготовленность в дыхании высокая,  = 0,98.
Таблица 2 Протокол исследования КМС Б-на
№ п/п
В1рад/с
С1рад
В2 рад/с
С2рад
k<sub>C</sub>
k<sub>П</sub>
k<sub>Э</sub>
1
11,93
6,04
6,88
3,01
1,73
2,01
3,48
….
6
11,95
6,03
6,86
3,02
1,74
2,00
3,48
Среднеезначение
11,94
6,04
6,87
3,02
1,74
2,00
3,48
k
k
k
Э
C
П
Заключение 2. КМС Б-н: эффективность дыхательных движений низкая, = 3,48; синхронность дыхания и двигательных действий отсутствует, частота дыхательных движений меньше частоты двигательных действий,  = 1,74; подготовленность в дыхании низкая, начальная фаза выдоха значительно отличается от начальной фазы максимального усилия по подъему гирь,  = 2,00.
Материалы данного изобретения корректно раскрывают признаки инновационного способа оценки эффективности дыхательных движений в гиревом спорте. Впервые решается техническая проблема, состоящая в повышении достоверности количественной оценки эффективности дыхательных движений человека в упражнениях гиревиков.
Изобретение позволяет создавать условия, которые имеют технологические преимущества по сравнению с известными способами.
Заявляемый метод позволяет на качественно новом уровне организовать, контролировать процесс выполнения упражнений с гирями и в режиме реального времени оценивать качество дыхательных движений спортсмена.
Таким образом, заявляемый способ обладает новыми свойствами, обусловливающими получение положительного эффекта. Способ позволяет получить условия и данные, которые ранее не были доступны специалистам.
Источники информации
1. Ципин Л.Л., Кириллов С.А., Петров В.М., Беляев И.С. Современные тенденции методики тренировки в гиревом спорте // Актуальные проблемы физической и специальной подготовки силовых структур. 2017. No 2. С. 65–71.
2. Медведев В.И., Ачкасов В.В. Оценка существующих подходов для повышения толерантности к гипоксии в гиревом спорте // Актуальные вопросы физической культуры и спорта: материалы ХХ Всероссийской научно-практиче-ской конференции (Томск, 29 марта 2018 г.). Томск: Издательство ТГПУ, 2018. С. 69–75.
3.Cotter S. Kettlebell Training. Human Kinetics. 2014, 213 p. https://books.google.ru/books?id=-XonAQAAQBAJ (дата обращения: 30.01.2021).
4. Патент RU 2414170 С1. Способ исследования механики дыхания.
5. Патент RU 2638291 С1. Способ оценки эффективности работы дыхательных мышц.
6. O’Halloran J. et al. Locomotor-respiratory coupling patterns and oxygen consumption during walking above and below preferred stride frequency //European journal of applied physiology. – 2012. – Т. 112. – №. 3. – С. 929-940.