СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВОВЛЕКАЕМОЙ МАССЫ СПОРТСМЕНА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ИМ ДВИГАТЕЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO MEASURE ENGAGED MASS OF SPORTSMAN IN PROCESS OF MOVEMENT ACTIONS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам объективного контроля индивидуальных физических данных спортсмена, и может быть использовано в самых различных видах спорта, например в лыжных гонках.
Любое двигательное действие спортсмена характеризуется величиной приложенной силы. Зависимость между силой, массой и ускорением определяется вторым законом Ньютона
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>M</mi><mo>⋅</mo><mi>a</mi><mtext>                                 </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
2
где F - сила [ньютон], М - масса [кг], а - линейное ускорение объекта приложения силы (руки или ноги) [м/с].
Например, в лыжах при отталкивании палками и одновременном бесшажном ходе спортсмен прикладывает усилие, пропорциональное массе его тела и ускорению [1].
Однако неизвестно, как определить усилие, которое ему необходимо затратить.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является измерение ускорения при помощи датчика ускорений - пьезокерамического акселерометра (ПА), который прикрепляется к месту приложения двигательного усилия лыжника (в данном случае, к руке или к ноге) [2]. Пьезокерамический акселерометр, в свою очередь, подключен к спектроанализатору со сменными RC-фильтрами.
Однако, помимо измерения развиваемого ускорения, необходимо также знать еще и массу объекта приложенной силы. В настоящее время этот параметр подменяется параметром «количество движений»
<mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><mi>m</mi><mo>⋅</mo><mi>v</mi><mtext>                                </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
где v - скорость движения руки, a m - масса руки, которую принимают равной от четырех и более кг. Поэтому основным недостатком существующего способа определения величины прилагаемой силы является невозможность рассчитать вовлекаемую массу в процесс движения. К тому же сам измеритель ускорения является громоздким, имеет большую погрешность, с его помощью также невозможно контролировать действия спортсмена во время соревнований.
Задача изобретения - определение величины вовлекаемой массы спортсмена при выполнении им двигательных действий, повышение качества тренировочного процесса, сокращение сроков подготовки.
1
2
Поставленная задача решается тем, что первоначально измеряют ускорение объекта источника приложения силы a, затем, при том же усилии, но с дополнительной известной массой М на том же объекте, на котором закреплен датчик, определяют ускорение a. Вовлекаемая масса будет вычисляться по формуле
<mrow><mi>X</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>X</mi><mo>+</mo><mi>M</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mtext>                                           </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
где Х - вовлекаемая масса спортсмена. Преобразовывая формулу 3, получаем
<mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>M</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mtext>                                                         </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>4</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
По измеренным значениям по формуле 4 определяется искомая величина вовлекаемой массы спортсмена при совершении им двигательного действия.
На фиг.1 приведена схема тренажера для измерения вовлекаемой массы спортсмена при одновременном отталкивании (бесшажном ходе) лыжными палками. Тренажер представляет собой прямоугольную раму, на коротких сторонах которой параллельно друг другу установлены неподвижные валы 1. На концах этих валов при помощи подшипников качения насажены стальные бобины цилиндрической формы 2. На каждую пару бобин вдоль длинных сторон рамы натянуты армированные резиновые ленты 3 такой ширины, которая позволяла бы закрыть всю поверхность бобин. В центральной части конструкции, ближе к одному из валов, приварена площадка 4, на которой стоит лыжник 5 и отталкивается палками от ленты, приводя ее в круговое движение.
Блок-схема измерения вовлекаемой массы спортсмена приведена на фиг.2.
Тренажер для вовлекаемой массы спортсмена обозначен цифрой 6, пьезоакселерометр, который крепится на руку спортсмена - цифрой 7, спектранализатор со сменными RC-фильтрами - цифрой 8, милливольтметр, который служит индикатором ускорения руки спортсмена в режиме отталкивания - цифрой 9, калиброванный по массе груз, равный 1000 грамм - цифрой 10.
Принципиальная схема спектранализатора с подключенным на вход ПА представлена на фиг.3. R1; R2; C1; C2 - сменные радиокомпоненты.
Примеры конкретного выполнения. Лыжник с массой руки 3,7 кг выполняет на тренажере (фиг.1) серию из 6-8 одновременных отталкиваний и возбуждает тем самым колебания в пьезоакселерометре, который закреплен на кисти одной из его рук. Сигнал с пьезоакселерометра поступает на вход спектранализатора со сменными RC-фильтрами и далее на милливольтметр. Величину ускорения записывают в табл.1. Затем на кисть руки, на которой закреплен пьезоакселерометр, вешают груз массой 1000 грамм в виде манжеты и снова повторяют серию из 6-8 отталкиваний. Величину ускорения руки, но уже с дополнительным грузом, также записывают в табл.1. Последовательно меняя сменные RC-фильтры в спектранализаторе и повторяя те же самые серии отталкиваний, заполняют данными табл.1 ускорения в милливольтах.
Таблица 1
(1,83-2,0) Гц
(2,83-3,0) Гц
(3,33-3,5) Гц
(3,83-4,0) Гц
(4,33-4,5) Гц
(5,83-6,0) Гц
(9,83-10,0) Гц
б/г
с/г
б/г
с/г
б/г
с/г
б/г
с/г
б/г
с/г
б/г
с/г
б/г
с/г
90
76
80
72
89
75
125
75
110
80
120
90
70
50
х=5,4 кг
х=9,0 кг
х=5,3 кг
х=1,5 кг
х=2,7 кг
х=3,0 кг
х=2,5 кг
б/г - без груза; с/г - с грузом.
На фиг.4 приведено графическое отображение полученной спектрограммы, из которой видно, что при данной технике отталкивания вносимая масса тела спортсмена (заштрихованная на графике) присутствует в частотном диапазоне от 1,83 до 3,5 Гц, а дальше, на более высоких частотах, отталкивание происходит исключительно за счет силы мышц рук.
На фиг.5 представлен внешний вид измерительного устройства (а - в сборе, б - разобранном виде), на фиг.6 - способ его крепления непосредственно на лыжнике.
Заявляемый способ измерения вовлекаемой массы спортсмена позволяет по сравнению с известными способами получить истинное значение массы спортсмена, участвующей в двигательном действии.