Датчики биомеханических характеристик

К биомеханическим характеристикам относятся динамические (сила, момент силы) и кинематические (положение, скорость, ускорение) показатели.

Динамометрия (от греч. динамис — сила, метрио — из­меряю) — раздел измерительной техники, посвященный измерению сил. При изменении силы отдельных мышечных групп издавна поль­зуются пружинными динамометрами: кистевыми, становыми и т. д. Они удобны и надежны в работе, но имеют ограниченную область применения, поскольку инерционны и не позволяют проследить за характером изменения силы при быстропротекающих движениях.

Значительно перспективнее механо-электрические измерители силы с тензодатчиками. Тензодатчики (лат. tension — напрягаю) служат для преобразования в электрический ток механических напряжений, возникающих в спортивном инвентаре или специальном силоизмерительном элементе. Тензодатчик (чаще всего тензосопротивление) на­клеивается на силоизмерительный элемент и подключается к мосто­вой измерительной схеме тензоусилителя (рис. 48). Развиваемая спорт­сменом сила вызывает механическую деформацию элемента, в ре­зультате чего деформируется тензодатчик, изменяется его электриче­ское сопротивление и электрическое напряжение на выходе измери­тельной схемы.

При наклеивании датчиков нуж­но соблюдать определенные пра­вила. Прежде всего место наклейки необходимо тщательно обезжи­рить. Приклеивать тензодатчик лучше всего циакриновым клеем, клеем БФ-2, БФ-4 или целлулоид­ным клеем, представляющим собой раствор целлулоида в ацетоне. Ме­сто наклейки и датчик следует про­мазать тонким слоем клея дважды, с интервалом 10 мин, после чего датчик крепко прижать к месту наклейки, стараясь вы давить лиш­ний клей и пузырьки воздуха. Пос­ле просыхания датчики для защиты от влаги надо покрыть еще одним слоем клея или лака.

Рис. 48

Тензодатчик:

А — внешний вид: l_o — «база датчика»; Б — раз­мещение датчика на спортинвентаре, В — мостовая измерительная схема и условие ее баланса; F — из­меряемая сила, R₁, R₂ R₃ и R₄ —электрические сопротивления

Рис. 49

Тензометрическая регистрация усилий при прохождении воднолыжной трассы маете. спорта (А) и перворазрядником (Б) со скоростью катера-буксировщика 48 км/час В Д Нехаевскому и Ю Л Нехаевскому, 1972)

Очень важно правильно выбрать силоизмерительный элемент (место фиксации тензодатчиков). В гребле датчики наклеивают на конус уключины или весло (между рукояткой и уключиной), на подножку и на банку. В гимнастике силоизмерительным элементом служат брусья, кольца, ручки коня и т. д. Образец записей усилий воднолыжника представлен на рис. 49.

Реакцию опоры при отталкивании можно измерить при помощи тензостелек и тензоплатформ. К сожалению, из-за того, что положен стопы при отталкивании меняется, при использовании тензостелек (их вкладывают в беговые туфли), трудно, а подчас и невозможно определить направление силы реакции опоры.

Рис. 50

Динамограмма опорных реакций при прыжках в длину

1 —вертикальная составляющая 2 —горизонтальная продольная составляющая 3 — горизонтальная поперечная составляющая (по Н.А. Якунину, И.Г. Михайлову, С. Ю. Алешинскому)

Широкое распространение спорте получили тензодинамографические платформы. Их устана ливают под покрытием беговой рожки или дорожки разбега в секторе для прыжков, волейбольной или баскетбольной площадки. При помощи тензодинамографических платформ измеряют вертикально и горизонтальную составляют опорной реакции (рис. 50).

Перед началом измерений димометрическую установку необходимо оттарировать. Процесс тарировки состоит в том, что к силоизмерительному элементу прикладывают одно за другим разные усилия (от нуля до макси­мума) и регистрируют электриче­ские сигналы, соответствующие разным значениям силы. Тариров­ка дает возможность при анализе тензометрических записей отсчиты­вать результат измерения непо­средственно в единицах силы — ньютонах (Н).

Наряду с тензосопротивлениями для измерения сил используют­ся пьезокристаллические и пьезокерамические датчики. Пьезо­электрический эффект состоит в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых материалов (например, кристаллов кварца) при их деформации. Чем больше воздействующая на пьезодатчик сила, тем больше генериру­емый им электрический сигнал. Недостатком пьезодатчиков явля­ется их хрупкость. Они легко приходят в негодность при сильном уда­ре по силоизмерительному элементу (так же, как и пьезоэлектрический звукосниматель обычного электропроигрывателя).

Рис. 51

Конструкция тензометрического датчика ускорения: 1 — грузик 2 — упругая металлическая пластина 3 — тензосопротнвление или пьезокристалл 4 — корпус 5— основание (по С.И. Алиханову 1974)

Акселерометрия (лат. accelero — ускоряю) — раздел измерительной техники, посвященный измерению ускорений.

Наибольшее распространение в спорте получили датчики ускорения, использующие тензоэффект и пьезоэффект. И в том, и в другом случае измеряется сила инерции, возникающая при ускорении или при торможении движущегося тела*. Тензосопротивления или пьезокри­сталлические (керамические) пластинки наклеиваются на упругий элемент (рис. 51). Ускорения вызывают его деформацию и изменение электрического потенциала на пьезодатчике или сопротивления тензодатчика.

Понятно, что один упругий элемент способен воспринимать уско­рение лишь в одной плоскости. Для регистрации полного вектора ускорения (в трех плоскостях) в одной конструкции монтируют три одинаковых датчика и ориентируют их перпендикулярно друг к другу, подобно осям декартовых координат.

Тензометрические датчики ускорения прочнее пьезодатчиков, однако они более инерционны и громоздки. Тарировка датчиков ускорения осуществляется на вибростенде — устройстве, создают дозированные ускорения.

Скорость спортсмена или отдельных частей его тела можна определить расчетным путем. Но существуют и такие метод измерения, которые непосредственно предназначены для измерения скорости.

Отличается простотой спидограф В.М. Абалакова. Тонкая нить этого прибора прикрепляется к спортсмену. Во время бега он тянет за собой нить и разматывает специальную катушку, скорость вращения которой измеряется.

Способ спидометрии, основанный на эффекте Доплера, позволяет дистанционно и бесконтактно измерять скорость на прямых отрезках дистанции. Датчиком в этом случае служит излучатель ультразвуковых или электромагнитных колебания направляемых на бегущего спортсмена вдоль беговой дорожки. Эффект Допплера проявляется в том, что при приближении спортсмена, излучателю частота отраженных от его тела колебаний (lо) оказываете выше, чем частота колебаний излучателя (lо), а при удалении спортсмена от излучателя, наоборот, ниже.

Скорость бегуна (гребного судна, автомобиля и т. д.) автоматически вычисляется по формуле:

где С — скорость распространения ультразвукового или электр магнитного излучения.

Гониометрией (греч. гониа — угол) называют метол измерения угловых перемещений (суставных перемещений или угловых перемещений спортивного инвентаря, например весла в академической гребле).

Чаще всего используется электрогониометрия: величины угловых перемещений преобразуются в пропорционально электрическое напряжение. Из датчиков гониограммы наибольшее распространение получил потенциометрический датчик. Основным элементом его является переменное сопротивление (потенциометр), ось которого соединена с одной ветвь! гониометра, а корпус — с другой. Ветви гониометра размещают параллельно костям исследуемой кинематической пары, причем ось потенциометра должна совпадать с осью сустава (рис. 52). При изменении суставного угла меняется снимаемое с потенциометра электрическое напряжение. Тарировка гониометрической установки позволяет отсчитывать получаемые значения суставных углов непосредственно в градусах. Для тарировки устанавливают по транспортиру одно за другим различные значения угла между ветвями гониометрического датчика и измеряют соответствующие величины электрического напряжения.

Стабилография — регистрация колебаний тела в положении стоя. Во многих видах спорта способность сохранять равновесие является важным фактором спортивного мастерства. Кривая изменения проекции координат центра масс тела на горизонтальную плоскость называется стабилограммой.

Рис. 52 Метод гониометрии А - схема подключения регистрирующей аппаратуры Б — крепление датчика гониограммы

Рис. 53 Конструкция стабилографической плат­формы с тензодатчиками (один из воз­можных вариантов) А — эскиз платформы 1 — верхняя площадка 2 — нижняя площадка 3— стержень прямоугольного сечения соединяющий площадки Б— схема фиксации тензосопротивлении (Д1, Д2, Д3, Д4) на стержне

При регистрации стабилограммы датчиком служит стабилографическая платформа, обычно представляющая собой металлическую площадку, укрепленную на тонком стальном стержне. Если общий центр масс человека, стоящего на ней, не проецируется на центральную ось стержня, то под действием веса тела он деформируется: одна из граней сжимается, а другая, противоположная, растягивается. Эту деформацию испытывают тензосопротивления, наклеенные на каждую грань стержня (рис. 53). Стабилограмма регистрируется двухкоорди­натным самописцем или двухкоординатным электронно-лучевым ос­циллоскопом.

Стабилография используется в тренажерах, предназначенных для разучивания упражнений на равновесие. Наряду с этим она позволяет проводить тестирование состояния нервной системы спортсмена, а в ряде случаев — фиксировать факт приема алкоголя и других возбуждающих средств.

Измерение линейных перемещений осуществляется оптическими и оптико-электронными методами (см. 7.2).

Другие способы измерения линейных перемещений делятся на две группы. В первую входят простые, общедоступные механические способы. Всем известна, например, лента В. М. Абалакова, предназначенная для измерения высоты выпрыгивания: спортсмен прыгает вверх и плечами тянет за собой конец измерительной ленты.

Вторую группу составляют способы, использующие явление электромагнитной индукции. Индуктивные датчик очень чувствительны и позволяют регистрировать незначительные перемещения. Например, для регистрации дрожаний оружия ствол винтовки оснащается излучателем электромагнитных волн (небольшой катушкой, по которой пропускают электрический ток) и помещается центре квадратной измерительной рамки, образованной четырем катушками индуктивности. Катушки служат приемниками излучаемых дульным срезом электромагнитных волн и соединены так, что каждой пары параллельных катушек снимается сигнал, равный разности наведенных в них электрических сигналов. В результат измерительная рамка фиксирует горизонтальные и вертикальны перемещения ствола. Синхронная регистрация колебаний центра масс стрелка (методом стабилографии) и колебаний оружия позволяет анализировать технику прицеливания, выявлять «узкие места» в подготовке стрелка.

Таким образом, при конструировании датчиков используют различные физические явления (табл. 31).

Таблица 31. Методы измерения биомеханических характеристик спортивной техники

Измеряемая переменная	Физиологическое явление, лежащее в основе метода измерения
Тензо-эффект	Пьезо-эффект	Электромагнитная индукция	Закон Ома	Эффект Допплера	Фото-эффект	Фото-графия
Сила Ускорение Скорость Перемещение линейное Перемещение угловое	+ + - - +	+ + - - -	- - - + -	- - - - +!	- - +? - -	- - + + -	- - - + +

Примечания:

1. В таблице приняты следующие обозначения степени использования данного физя ческого явления для измерения данной характеристики:

+! — широко используется;

+ —используется редко;

— —не используется;

+? — исследования в этой области начаты.

2. Некоторые переменные могут быть вычислены по результатам измерения других переменных, например:

а) перемещение, скорость и ускорение связаны между собой операциями дифференцирования и интегрирования;

б) зная длину сегмента тела (например, лучевой кости), можно по результатам измерения суставного угла на одном конце сегмента (в данном случае угла в локтевом суставе) вычислить траекторию сустава на другом его конце (в данном случае лучезапястного сустава).