Способ определения высоты подъема на носки и анализа структуры прыжка вверх Российский патент 2024 года по МПК A61B5/11 

Изобретение относится к области физической культуры и спорта, предназначено для анализа и объективного контроля структуры прыжка вверх с целью определения параметров подъема на носки в фазе отталкивания - важнейшего управляемого промежутка времени для многих видов двигательной деятельности человека, в том числе и спортсменов в игровых видах спорта.

Оно может быть использовано в тренировочном процессе на любом уровне спортивной квалификации при отборе и оценке профпригодности в спортивных клубах и спортивных школах.

Одним из ведущих показателей технической и физической подготовленности спортсменов различных специализаций служит уровень развития прыгучести, который чаще всего оценивается высотой прыжка вверх с места [1], [2], [4], [5].

Но этот общепринятый показатель, используемый во многих стандартах спортивной подготовки по видам спорта и нормативных требованиях в каждом виде спорта, никак не отражает способность спортсменов к быстродействию, например, в играх не характеризует важнейшие качества для спортсменов-игровиков, в частности, способность управлять силой и быстротой, которые реализуются в финальной части отталкивания от опоры в период фазы подъема на носки, благодаря изменению временной структуры прыжка и направления вектора силы реакции опоры, чем достигается преимущество в технике и тактике, например, при выполнении быстрых двигательных и обманных действий [4], [5].

Для контроля, оценки и целенаправленной тренировки способности к управлению двигательными действиями игрока при прыжках вверх необходимо из полного времени отталкивания вычленить время подъема на носки, определив границы фаз прыжка [3], [5]. Так же важно определить вклад подъема на носки в общую высоту прыжка вверх.

Известно устройство для определения скоростно-силовых характеристик человека [6], содержащее блок индикации, блок сигнализации, силоизмерительный блок, блок задания и компьютер, отличающееся тем, что силоизмерительный блок выполнен в виде тензометрических весов. Технический результат заключается в том, что в процессе выполнения тестирования производят измерение веса каждого тестируемого и времени безопорной и опорной фаз прыжка, числа прыжков, а затем определяют мощность отталкивания, точно задают эти параметры, что значительно повышает информативность о физическом состоянии человека. Недостатком данного устройства измерения является отсутствие объективной информации об истинном перемещении общего центра масс (ОЦМ) в процессе прыжка вверх с места, так как в расчете не учитывается высота подъема на носки при отталкивании от опоры, что представляет собой существенную ошибку измерения.

Наиболее близким по существу и выбранным в качестве прототипа, является способ тренировки и оценки эффективности отталкивания от опоры [7], включающий центральный блок, который обрабатывает сигнал мгновенного значения силы реакции опоры (динамограмму) и передает информацию на устройство отображения информации в виде высоты и коэффициента эффективности прыжка.

Недостаток прототипа состоит в отсутствии информации о границах фазы подъема на носки, а расчет высоты прыжка по динамограмме силы реакции опоры выполнен только численно без учета особенностей важнейшей для биомеханизма отталкивания фазы подъема на носки, названной фазой доталкивания [7].

Предлагаемый в качестве изобретения способ определения высоты подъема на носки и анализа структуры прыжка вверх решает задачу определения пространственных и временных параметров фазы подъема на носки, а также повышения точности измерения высоты прыжка за счет учета особенностей фазы доталкивания в биомеханизме прыжка.

Указанная задача решается благодаря тому, что в способе определения высоты подъема на носки и анализа структуры прыжка вверх, включающим измерение вертикальной составляющей силы реакции опоры при прыжках вверх с места, для чего испытуемый встает на динамоплатформу измерителя силы реакции опоры, имеющую, по крайней мере, одну вертикальную компоненту развиваемого усилия, с помощью динамоплатформы регистрируют усилие, равное силе тяжести испытуемого, затем испытуемый выполняет прыжок вверх с места, центральный усилительно-преобразующий блок измерителя силы реакции опоры обрабатывает сигнал мгновенного значения силы реакции опоры и передает графическое изображение этого сигнала на устройство отображения информации, дополнительно с помощью центрального усилительно-преобразующего блока измерителя силы реакции опоры анализируют структуру прыжка, для этого с помощью центрального усилительно-преобразующего блока измерителя силы реакции опоры определяют границы временного интервала, в течение которого испытуемый поднимается на носки, для чего при анализе структуры прыжка интервал времени подъема на носки делят на два скоростных этапа, первый этап характеризуется увеличением угловой скорости движения голеностопного сустава испытуемого, второй этап характеризуется уменьшением угловой скорости движения голеностопного сустава, а начальную границу интервала времени подъема на носки определяют из равенства импульсов силы:

,

где: Р(τ) - сила реакции опоры, определяемая по графическому изображению мгновенного значения силы реакции опоры;

Р_ст - сила тяжести испытуемого;

t₄, t₅, t₆ - пределы интегрирования, определяемые по графическому изображению мгновенного значения силы реакции опоры, которые являются границами скоростных этапов интервала времени подъема на носки,

далее по графическому изображению мгновенного значения силы реакции опоры методом последовательного интегрирования с помощью центрального усилительно-преобразующего блока измерителя силы реакции опоры рассчитывают модельную высоту подъема на носки на интервале времени подъема на носки по формуле:

где: h_нм - модельная высота подъема на носки на интервале времени подъема на носки;

h_4-5 - высота подъема на носки на этапе разгона на интервале времени подъема на носки;

h_5-6 - высота подъема на носки на этапе торможения на интервале времени подъема на носки;

m - масса испытуемого;

Р_ст. - сила тяжести испытуемого;

Р(τ) - сила реакции опоры, определяемая по графическому изображению мгновенного значения силы реакции опоры;

V₄ - мгновенное значение вертикальной составляющей скорости в точке начала интервала времени подъема на носки;

V₅ - мгновенное значение вертикальной составляющей скорости в точке пересечения графического изображения мгновенного значения силы реакции опоры и линии на уровне силы тяжести испытуемого;

t₃, t₄, t₅, t₆ - пределы интегрирования, определяемые по графическому изображению мгновенного значения силы реакции опоры;

затем по графическому изображению мгновенного значения силы реакции опоры с помощью центрального усилительно-преобразующего блока измерителя силы реакции опоры определяют импульс результирующей силы на интервале времени отталкивания, как разность мгновенного значения силы реакции опоры и силы тяжести испытуемого, по формуле:

,

где: S_3-6 - импульс результирующей силы на интервале времени отталкивания;

Р_ст. - сила тяжести испытуемого;

Р(τ) - сила реакции опоры, определяемая по графическому изображению мгновенного значения силы реакции опоры;

t₃, t₆ - границы интервала времени отталкивания, определяемые по графическому изображению мгновенного значения силы реакции опоры;

далее с помощью центрального усилительно-преобразующего блока измерителя силы реакции опоры рассчитывают коэффициент эффективности прыжка по формуле:

,

где: k_эф - коэффициент эффективности прыжка вверх;

Р_ст. - сила тяжести испытуемого;

t_6-7 - время полета, где сила реакции опоры равна нулю;

S_3-6 - импульс результирующей силы на интервале времени отталкивания,

затем, с помощью центрального усилительно-преобразующего блока измерителя силы реакции опоры рассчитывают реальную высоту подъема на носки на интервале времени подъема на носки по формуле:

h_нр=h_нм k_эф,

где: h_нp - реальная высота подъема на носки;

h_нм. - модельная высота подъема на носки;

k_эф - коэффициент эффективности прыжка.

Анализ существующего уровня техники не выявил совокупность признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники и, следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».

Предлагаемый способ поясняется с помощью рисунков, приведенных на фиг. 1, 2 и 3, где: фиг. 1 - блок-схема, реализующая способ, где:

1. - динамоплатформа измерителя силы реакции опоры,

2. - центральный усилительно-преобразующий блок измерителя силы реакции опоры,

3. - устройство отображения информации;

фиг. 2 - модельная динамограмма (графическое изображение мгновенного значения силы реакции опоры) отталкивания от опоры, где:

1, 2,… 7 - границы фаз движения,

S₁, S₂ - импульсы силы соответствующих фаз движения;

фиг. 3 - Р(T) - график силы реакции опоры испытуемого,

Н(τ) - график высоты перемещения ОЦМ,

V(τ) - график вертикальной составляющей скорости ОЦМ.

Заявленный способ осуществляют следующим образом (см. фиг. 1, 2 и 3).

Испытуемый встает на динамоплатформу (1) (фиг. 1) измерителя силы реакции опоры, соединенную с центральным усилительно-преобразующим блоком (2) (фиг. 1) измерителя силы реакции опоры, который выполняет функции усиления, оцифровки и программной обработки сигнала мгновенного значения силы реакции опоры и передает информацию на устройство отображения информации (3) (фиг. 1). Испытуемый выполняет прыжок вверх с места, отталкиваясь от динамоплатформы (1) (фиг. 1).

Прыжок вверх с места состоит из четырех основных фаз: амортизации (интервал времени t_a=t_1-3), отталкивания (интервал времени t_3-6), доталкивания (интервал времени t_д=t_4-6) и полета (интервал времени t_п=t_6-7), а границы фаз обозначены цифрами от 1 до 7 (фиг. 2).

При прыжке вверх в фазе амортизации в интервале времени t_a=t_1-3 (фиг. 2, 3) человек подседает и накапливает энергию в упругих элементах мышечно-связочного аппарата. В момент времени - t₃ ОЦМ тела человека занимает самое низкое положение, вертикальная составляющая его скорости равна нулю (фиг. 3); в этот момент времени начинается фаза отталкивания, и ОЦМ начинает подниматься. В момент времени t_А ОЦМ тела человека поднимается на высоту, которую он занимал в исходном положении (основная стойка) в момент времени - t₁. Таким образом, тело человека, традиционно моделируемое точечной массой [1], [3], должно в момент времени t_A оторваться от опоры. Но тело человека является сложной системой с изменяющимся положением ОЦМ, вызванным перемещением звеньев тела (подъемом плеч, взмахом рук и т.п.), а также изменением формы тела, связанной с подъемом на носки и соответствующей его деформацией в конце фазы отталкивания.

Итак, в фазе отталкивания на интервале времени t_А-6 наблюдается дальнейший подъем ОЦМ уже за счет искусственного перераспределения масс-инерциальных составляющих звеньев тела человека и изменения его формы, что и регистрирует динамоплатформа (1) (фиг. 1) как контакт с опорой и наличия силы реакции опоры (фиг. 3).

Фаза подъема на носки, названная ранее фазой доталкивания, представляет особый интерес для оптимизации временной структуры прыжков в разных спортивных специализациях, в частности, для спортсменов игровиков [5], поэтому границы этой фазы необходимо определить, выделив фазу доталкивания из общего импульса силы отталкивания на интервале времени t_3-6.

Изменение скорости движения ОЦМ тела человека может быть вызвано только результирующей силой: разностью силы реакции опоры Р(τ) и силы тяжести Р_ст. На интервале времени t_5-6 результирующая сила отрицательная (фиг. 2, 3), что свидетельствует о том, что идет процесс торможения ОЦМ тела человека. С другой стороны, биомеханизм подъема на носки в финальной части фазы отталкивания связан с подошвенным сгибанием голеностопного сустава, и этот процесс имеет два скоростных этапа: увеличение угловой скорости (разгон) в начале фазы доталкивания и снижения угловой скорости (торможение) в конце фазы доталкивания и соответственно разгон и торможение ОЦМ тела человека. Поэтому на интервале времени t_5-6 наблюдается этап торможения голеностопного сустава.

Фазу подъема на носки моделируют с помощью законов деформации упругого тела [8], [9]. Единственная сила, которая вызывает изменение формы тела, это внутренняя сила деформации, регистрируемая как сила реакции опоры, поэтому импульс силы деформации на этапе торможения равен (фиг. 2):

.

В начальный момент - t₄ и в конце фазы доталкивания - t₆ угловая скорость голеностопного сустава априори равна нулю, поэтому импульсы внутренней силы деформации на этапе разгона S₁ и торможения S₂ голеностопного сустава должны быть равны (фиг. 2), то есть:

,

где: Р(τ) - сила реакции опоры, определяемая по динамограмме;

Р_ст - сила тяжести;

t₄, t₅, t₆ - пределы интегрирования, определяемые по динамограмме, которые являются границами скоростных этапов фазы доталкивания.

Исходя из равенства импульсов S₁=S₂, определяют местоположение точки 4, то есть момент времени U - начало фазы доталкивания (фиг. 2).

По динамограмме силы реакции опоры в фазе доталкивания на интервале времени t_4-6 методом последовательного интегрирования определяют величину вертикального перемещения ОЦМ, то есть модельную (идеальную) высота подъема на носки по формуле:

где: h_нм - высота подъема на носки в фазе доталкивания;

h_4-5 - высота подъема ОЦМ на этапе разгона в фазе доталкивания;

h_5-6 - высота подъема ОЦМ на этапе торможения в фазе доталкивания;

m - масса испытуемого;

Р_ст. - сила тяжести испытуемого;

Р(τ) - сила реакции опоры, определяемая по динамограмме;

V₄ - мгновенное значение вертикальной составляющей скорости в точке начале фазы доталкивания;

V₅ - мгновенное значение вертикальной составляющей скорости в точке пересечения динамограммы и линии на уровне силы тяжести испытуемого;

t₃, t₄, t₅, t₆ - пределы интегрирования, определяемые по динамограмме

Для идеальной механической системы без потерь, моделируемой с использованием понятия точечной массы, вычисляют импульс результирующей силы (разность силы реакции опоры и силы тяжести) на всем интервале фазы отталкивания [3] от точки 3 до точки 6 (см. фиг. 2) по формуле:

,

где: S_3-6 - импульс результирующей силы в фазе отталкивания;

Р_ст. - сила тяжести испытуемого;

P(t) - сила реакции опоры, определяемая по динамограмме;

t₃, t₆ - границы фазы отталкивания, определяемые по динамограмме.

Затем рассчитывают коэффициент эффективности прыжка, который учитывает потери при трансформации импульса силы в количество движения и определяют отношением реальной высоты прыжка к ее модельному (идеальному без потерь) значению, по известной формуле [7]:

,

где: k_эф - коэффициент эффективности прыжка вверх;

Р_ст. - сила тяжести испытуемого;

t_6-7 - время полетной фазы;

S_3-6 - импульс результирующей силы в фазе отталкивания.

Предполагая, что потери при трансформации импульса силы в изменение количества движения распределяются равномерно на все фазы, то можно с большой долей вероятности считать, что и реальная высота подъема на носки h_нр будет в 1/k_эф раз меньше расчетной (модельной) величины h_нм. В итоге, рассчитывают реальную высоту подъема на носки в фазе доталкивания по формуле:

h_нр=h_нм k_эф,

где: h_нр - реальная высота подъема на носки;

h_нм - модельная высота подъема на носки;

k_эф - коэффициент эффективности прыжка.

Детальный пофазовый анализ структуры прыжка с точным определением границ фаз позволяет существенно повысить эффективность тренировочного процесса за счет возможности индивидуальной коррекции действия спортсменов, влияющих на вполне определенные элементы прыгучести игрока.

Экспресс информация о временной структуре прыжков позволяет объективно оценивать и проектировать дальнейшие возможные результаты подготовленности спортсменов, а также индивидуализировать тренировочный процесс.

Изобретение позволяет получать экспресс информацию на экране устройства отображения информации о фазовой структуре и высоте прыжка, о высоте подъема на носки и коэффициенте эффективности прыжка, что представляет интерес для отбора игроков в команды по различным видам спорта. Важное значение указанная особенность имеет для массовой физической культуры и вовлечения широкого круга населения к занятиям спортом, особенно детей, которым необходима игровая привлекательность и возможность соревноваться.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Уткин В.Л. Биомеханика физических упражнений: учебное пособие / В.Л. Уткин. - М.: Просвещение, 1989. - 210 с.

2. Немцева Н.А. Особенности прыжковой деятельности в баскетболе / Н.А. Немцева, И.В. Еремин / Педагогика, психология и медико-биологические проблемы физического воспитания: монография. - Харьков: ХДАДМ, 2007. - №2. - С. 86-94.

3. Иванова Г.П. Биомеханические методики анализа и оценки техники спортивных движений: учебно-методическое пособие / Г.П. Иванова, Н.Б. Кичайкина, А.В. Самсонова. - СПб.: изд-во СПбГУФК им. П.Ф. Лесгафта, 2007. - 63 с.

4. Годик М.А. Комплексный контроль в спортивных играх / М.А. Годик, А.П. Скородумова. - М.: Советский спорт, 2010. - 336 с.

5. Ивойлов А.В. Волейбол: очерки по биомеханике и методике тренировки / А.В. Ивойлов. М.: Физкультура и спорт, 1981. - 152 с.

6. Пат. 2218962 РФ, МПК А63В 24/00, А63В 5/00. Устройство для определения скоростно-силовых характеристик человека / В.Н. Зуев, О.В. Силина, М.В. Василюк, Г.Г. Зуева - №2002130209/12; Заявлено 10.11.2002; Опубл. 20.12.2003. Бюл. №35.

7. Пат. №2742733 РФ, МПК А61В 5/16. Способ тренировки и оценки эффективности отталкивания от опоры / А.Г. Биленко, Г.П. Иванова, Б.Е. Лосин. - №2020124240; Заявлено 14.07.2020; Опубл. 10 02 2021 заявитель НГУ. - 9 с: 2 ил. - прототип.

8. Кузнецов С.И. Физика. Ч. I. Механика. Механические колебания и волны. Молекулярная физика и термодинамика: учебное пособие / С.И. Кузнецов, К.И Рогозин. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. - 5-е изд., перераб., доп. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. - 251 с.

9. Зубчанинов, В.Г. Основы теории упругости и пластичности: учебник для машиностроит. спец. вузов / В.Г. Зубчанинов - М.: Высш. школа, 1990. - 368 с.

Изобретение относится к области физической культуры и спорта, предназначено для анализа и объективного контроля структуры прыжка вверх с целью определения параметров подъема на носки в фазе отталкивания - важнейшего управляемого промежутка времени для многих видов двигательной деятельности человека, в том числе и спортсменов в игровых видах спорта. Предложен способ, в котором по динамограмме силы реакции опоры определяют границы фаз прыжка вверх. Введение понятия двух скоростных этапов - разгона и торможения - в фазе подъема на носки, названной фазой доталкивания, которая реализуется за счет подошвенного сгибания стопы, позволяет вычленить из полного импульса отталкивания импульс силы в фазе доталкивания. Далее определяют модельную высоту подъема общего центра масс в фазе доталкивания. Структура прыжка, определенная при его анализе, позволяет рассчитать коэффициент эффективности прыжка - потери, как отношение реальной высоты прыжка к его модельному - идеальному значению. При равномерном распределении потерь во всех фазах прыжка можно рассчитать реальную высоту подъема на носки. Изобретение позволяет получать экспресс-информацию на экране устройства отображения информации о фазовой структуре и высоте прыжка, о высоте подъема на носки и коэффициенте эффективности прыжка, что представляет интерес для отбора игроков в команды по различным видам спорта. Важное значение указанная особенность имеет для массовой физической культуры и вовлечения широкого круга населения к занятиям спортом, особенно детей, которым необходима игровая привлекательность и возможность соревноваться. 3 ил.

Способ определения высоты подъема на носки и анализа структуры прыжка вверх, включающий измерение вертикальной составляющей силы реакции опоры при прыжках вверх с места, для чего испытуемый встает на динамоплатформу измерителя силы реакции опоры, имеющую по крайней мере одну вертикальную компоненту развиваемого усилия, с помощью динамоплатформы регистрируют усилие, равное силе тяжести испытуемого, затем испытуемый выполняет прыжок вверх с места, центральный усилительно-преобразующий блок измерителя силы реакции опоры обрабатывает сигнал мгновенного значения силы реакции опоры и передает графическое изображение этого сигнала на устройство отображения информации, отличающийся тем, что с помощью центрального усилительно-преобразующего блока измерителя силы реакции опоры анализируют структуру прыжка, для этого с помощью центрального усилительно-преобразующего блока измерителя силы реакции опоры определяют границы временного интервала, в течение которого испытуемый поднимается на носки, для чего при анализе структуры прыжка интервал времени подъема на носки делят на два скоростных этапа, первый этап характеризуется увеличением угловой скорости движения голеностопного сустава испытуемого, второй этап характеризуется уменьшением угловой скорости движения голеностопного сустава, а начальную границу интервала времени подъема на носки определяют из равенства импульсов силы

,

где Р(τ) - сила реакции опоры, определяемая по графическому изображению мгновенного значения силы реакции опоры;

Р_ст - сила тяжести испытуемого;

t₄, t₅, t₆ - пределы интегрирования, определяемые по графическому изображению мгновенного значения силы реакции опоры, которые являются границами скоростных этапов интервала времени подъема на носки,

далее по графическому изображению мгновенного значения силы реакции опоры методом последовательного интегрирования с помощью центрального усилительно-преобразующего блока измерителя силы реакции опоры рассчитывают модельную высоту подъема на носки на интервале времени подъема на носки по формуле

где h_нм - модельная высота подъема на носки на интервале времени подъема на носки;

h_4-5 - высота подъема на носки на этапе разгона на интервале времени подъема на носки;

h_5-6 - высота подъема на носки на этапе торможения на интервале времени подъема на носки;

m - масса испытуемого;

Р_ст - сила тяжести испытуемого;

Р(τ) - сила реакции опоры, определяемая по графическому изображению мгновенного значения силы реакции опоры;

V₄ - мгновенное значение вертикальной составляющей скорости в точке начала интервала времени подъема на носки;

V₅ - мгновенное значение вертикальной составляющей скорости в точке пересечения графического изображения мгновенного значения силы реакции опоры и линии на уровне силы тяжести испытуемого;

t₃, t₄, t₅, t₆ - пределы интегрирования, определяемые по графическому изображению мгновенного значения силы реакции опоры; затем по графическому изображению мгновенного значения силы реакции опоры с помощью центрального усилительно-преобразующего блока измерителя силы реакции опоры определяют импульс результирующей силы на интервале времени отталкивания, как разность мгновенного значения силы реакции опоры и силы тяжести испытуемого, по формуле

,

где S_3-6 - импульс результирующей силы на интервале времени отталкивания;

Р_ст - сила тяжести испытуемого;

Р(τ) - сила реакции опоры, определяемая по графическому изображению мгновенного значения силы реакции опоры;

t₃, t₆ - границы интервала времени отталкивания, определяемые по графическому изображению мгновенного значения силы реакции опоры;

далее с помощью центрального усилительно-преобразующего блока измерителя силы реакции опоры рассчитывают коэффициент эффективности прыжка по формуле

,

где k_эф - коэффициент эффективности прыжка вверх;

Р_ст - сила тяжести испытуемого;

t_6-7 - время полета, где сила реакции опоры равна нулю;

S_3-6 - импульс результирующей силы на интервале времени отталкивания, затем с помощью центрального усилительно-преобразующего блока измерителя силы реакции опоры рассчитывают реальную высоту подъема на носки на интервале времени подъема на носки по формуле

h_нр=h_нм k_эф,

где h_нр - реальная высота подъема на носки;

h_нм - модельная высота подъема на носки;

k_эф - коэффициент эффективности прыжка.