Технические средства измерений

Работа спортсмена проходит в пространстве и во времени с приложением мышечных усилий. Поэтому задача исследователя физической культуры и спорта (ФКиС) — измерять и анализировать показатели пространства, силы, напряжения мышц спортсмена, времени действий и скорости движений испытуемого. 

Кроме того, важны показатели, производные от основных измерений, а также всевозможные подсчеты, например, выполнений упражнения (раз); повтора элементов, примененных в соревновании; выполнения возможных действий в единицу времени и т.д.

В практике ФКиС эти показатели измеряются с помощью общепризнанных средств измерений.

Показатели пространства — это показатели, определяющие, например, длину дистанции, высоту снаряда, глубину сооружения, объекта и т.д. Эти показатели измеряются в километрах, метрах, сантиметрах и миллиметрах с помощью измерительных средств: сантиметра, линейки, рулетки и т.п.

К показателям пространства относятся также показатели измерения углов.

Прибор для измерения углов называется гониометр (от греч. gonio — угол). Известны два вида гониометра — механический и электрический. 

Механический гониометр — это транспортир большого размера. Он используется для того, чтобы определить, например, величину угла между бедром и голенью. Для этого одна сторона транспортира с нулевой отметкой прикладывается к бедру, а другая — к голени. Зафиксировав угол между бедром и голенью, можно увидеть его величину на шкале транспортира.

Основу электрического гониометра составляет реостат в форме тора (бублика). Нулевой торец реостата соединяется с неподвижной стороной угла (например, с бедром), а ползунок реостата прикрепляется к подвижной стороне угла (например, к голени). Любой угол между бедром и голенью спортсмена соответствует определенному положению ползунка и определенному сопротивлению реостата. Таким образом, на приборе, к которому подключен реостат, показания сопротивления меняются пропорционально исследуемому углу. Измерительный прибор (как правило, это амперметр или вольтметр) позволяет сразу считывать показания величины исследуемого угла.

Показатели силы спортсмена очень разнообразны. Можно измерять становую силу, силу рук и ног, силу кистей, силу определенных групп мышц и т.д. Приборы, с помощью которых измеряют показатели силы, называются динамометрами (от греч. dynamis— сила). Процесс измерения показателей силы — динамометрия — проводится для фиксации статистического и динамического проявления силы.

При измерении статистического проявления силы определяют силу мышц спортсмена как таковую. В этом случае применяют простейший измерительный прибор — пружинный динамометр. Его основным элементом является специальная пружина, которая перемещается вдоль неподвижных направляющих. При сжатии пружины ее длина уменьшается пропорционально приложенной силе. Оценив уменьшение длины пружины, можно определить мышечную силу спортсмена.

При измерении динамического проявления силы, как правило, пользуются электрическим динамометром, основу которого составляет тензодатчик — небольшой электрический прибор, состоящий из трех основных элементов: пружинки, изменяющей сопротивление под действием силы, измерительного прибора (амперметра) и источника питания. Под действием силы спортсмена пружинка сжимается, вызывая изменения сопротивления в сети. Измерительный прибор (амперметр или вольтметр) показывает эти изменения. Кроме того, неравномерность проявляемой спортсменом силы легко улавливается прибором, в этом случае он показывает различную силу тока.

Таким образом, показания изменения сопротивления в сети меняются в соответствии с приложенным усилием спортсмена. Тензодатчик, имея небольшие размеры, не зависит от сетевого источника питания и может работать от батареек, что весьма удобно для измерения силы спортсмена в любых условиях. 

Тензоплатформа также является электрическим динамометром и используется в тех случаях, когда спортсмен занимает большую площадь и прикладывает значительные усилия (например, тяжелоатлет, поднимающий штангу). Она представляет собой прямоугольную площадку, на углах которой размещены четыре тензодатчика. Для того чтобы датчики работали слаженно и одновременно, устанавливают специальное уравновешивающее электроустройство.

Согласно системе СИ единицей измерения силы является ньютон (Н). Вместе с тем пружинные динамометры тарированы в старых единицах системы — килограмм-сила (кгс): 1 кгс — сила, сообщающая массе международного прототипа килограмма ускорение, равное 9,80665 м/с², в направлении действия силы, кгс = 9,80665 Н.

Показатели времени называются хронометрами (от греч. chronos — время). Простейший хронометр — секундомер, который работает по принципу часового механизма. Он легок, удобен в использовании и доступен в приобретении.

Существуют также приборы для измерения показателей, производных от показателей силы, времени и пространства. К ним вносятся спидограф, акселерометр и миограф.

Прибор для измерения скорости передвижения спортсмена называется спидографом. Простейшим является так называемый спидограф В.М.Абалакова. Принцип его работы заключается в следующем: на пояс спортсмену прикрепляют катушку с нитью. Конец нитки фиксируют на старте. Во время бега нить на катушке разматывается, а вращение самой катушки характеризует скорость бега спортсмена. Измеряя количество оборотов катушки, время забега и дистанцию, соответствующую одному обороту катушки, определяют скорость бега спортсмена.

Для более точного измерения скорости передвижения спортсмена используют спидограф, основанный на эффекте Доплера. Принцип его действия таков: на спортсмена во время бега направляется ультразвуковая волна, параметры которой измеряются. Разности частот этих волн характеризуют скорость бега спортсмена.

Прибор для измерения ускорения называется акселерометром (от лат. accelero — ускорять). Прибор состоит из двух цилиндров: один — внешний большой, а другой — внутренний малый. Первый цилиндр заполнен жидкостью, в которой перемещается второй цилиндр от одного торца до другого. Оба торца внутреннего малого цилиндра подключены к электрической цепи. Малый цилиндр перемещается в гидросреде по инерции. Такое перемещение прямо пропорционально ускорению. Шкала акселерометра имеет градацию, равную ускорению свободного падения тела, т.е. 9,8 м/с².

Прибор для измерения напряжения мышц — миограф (от лат. myo — мышца) — состоит из электродов, электрических проводов, источника питания, усилителя и шкалы. На теле человека имеются небольшие электрические потенциалы, и если к ним подсоединить электрическую цепь со слабым источником питания, усилителем электропотенциалов и показателем тока (амперметром или вольтметром), то на шкале прибора можно увидеть результаты исследований. При этом показатели будут различными, и в зависимости от того, напряжены мышцы или находятся в спокойном состоянии, возможно оценить их работу во время спортивной деятельности определенного характера. С этой целью созданы специальные датчики — электроды в форме пластинок или иголок, которые монтируются в цепь и позволяют измерять напряжение мышц.

Большую роль в практике ФКиС играют фото- и киносъемки. Перемещаясь в пространстве, спортсмен находится в постоянном движении. Различные группы его мышц работают неравномерно и имеют разные временные показатели. Для досконального исследования такой работы существуют средства, пригодные для измерения лишь какого-либо одного показателя. Иногда эти средства громоздки и затрудняют саму работу спортсмена. В связи с этим фото- и киносъемки предоставляют идеальную возможность для наблюдений и экспериментов. Зафиксировав действия спортсмена в кульминационный момент на фотоснимке, исследователь получает результат, который можно тщательно изучать. На таком снимке, как правило, проводятся вертикальные, горизонтальные и осевые линии. Зная параметры спортсмена, можно определить расстояния между отдельными точками на его теле и транспортиром измерить углы. Способ фотосъемки позволяет хорошо изучить технику спортсмена.

Киносъемкаимеет еще бóльшие возможности, чем фотосъемка, так как кадр за кадром фиксируются различные положения тела спортсмена, позволяющие детально изучить технику действий. Кадры кинопленок, отпечатанные на бумаге, называются кинограммами. На них, в частности, исследованию подлежат кинематические характеристики движения и траектории движущихся элементов тела.

Циклограмма представляет собой киносъемку траектории точек тела спортсмена на фоне темной стены в темной одежде. К исследуемым точкам тела спортсмена (голове, коленям, плечам и т.д.) прикреплены электролампочки, которые на циклограмме отражаются только в виде траектории точек.

Применяются и другие способы съемок — в зависимости от характера спортивной работы и задач исследования.

Отметим две важные особенности работы с приборами и средствами измерений. Первая особенность заключается в том, что описанные выше приборы и устройства не являются единственными в ФВиС. Это в основном относится к медицинским исследованиям, где используются приборы для измерения состава крови, работы сердечной мышцы, дыхательной и выделительной систем, ЧСС и т.д. Кроме спортивных применяются также различные методы, позволяющие надежно оценить кинематические параметры движений, например, подсчет чего-либо, шагомеры и др.

Вторая особенность относится к точности измерений и проведению расчетов в ФВиС. Технические измерения зависят от чистоты поверхности деталей и точности измерительных приборов, работа с которыми проводится по специальным инструкциям, а контроль осуществляется с привлечением специальных служб. В отличие от технических измерений спортивная деятельность предполагает следующие моменты: объектом исследования ФВиС является спортсмен, от индивида к индивиду варьируются антропометрические показатели, параметры функциональных систем, результаты адаптации и т.д. Даже в течение одного дня показатели объекта исследования непостоянны, поэтому исследователей более всего интересуют склонности, возможности, особенности спортсмена и т.д. Точность исследований зависит от точности показаний средств измерения, на которые необходимо ориентироваться.

Шкалы измерений

Проведение любых исследований, в том числе и в области физического воспитания и спорта, связано с определенными измерениями. Измерение в самом широком смысле может быть определено как приписывание чисел к объектам или событиям согласно некоторым правилам. Эти правила должны устанавливать соответствие между свойствами рассматриваемых объектов и чисел, что порождает четыре основных вида таких шкал: наименований, порядка, интервальная и отношений. Измерения, осуществляемые с помощью двух первых шкал, считаются качественными, двух последних — количественными. В каждой шкале строго определены свойства чисел. При этом чем выше порядок шкалы, тем больше арифметических действий разрешается проводить над числами, приписанными объектам.