Akademia Wychowania Fizycznego

Józefa Piłsudskiego

w Warszawie

Zakład Biomechaniki

Sprawozdanie

nt. „Przebieg siły reakcji podłoża podczas wyskoku dosiężnego”

Autor: Bartosz Słomiński Pod kierunkiem dr Andrzeja Mastalerza

student II roku, gr. 2 męska

studia 3-letnie

Warszawa 1999

Wprowadzenie:

Ruch żywego organizmu lub jego części należy traktować m.in. jako zjawisko mechaniczne, zaś organizm będący połączeniem elementów działających wspólnie i spełniających określony cel, zastępuje się pojęciem obiektu (układu, systemu) biomechanicznego. Toteż przedmiotem biomechaniki jest badanie ruchu istot żywych, zwłaszcza człowieka, na podstawie fundamentalnych i szczegółowych praw mechaniki oraz zasad cybernetyki. Stosowanymi metodami badawczymi są analiza i synteza ruchu oraz identyfikacja strukturalna i parametralna obiektu. W wyniku zastosowania tych metod określa się parametry i wyznacza charakterystyki statyczne, kinematyczne i dynamiczne organizmu lub jego części, co umożliwia wyrażanie wiadomości o badanym zjawisku i biorącym w nim udział obiekcie w postaci równania - modelu matematycznego.

Ruchy , które odbywają się na podłożu , są wynikiem działania sił wewnętrznych i sił zewnętrznych. Wielkości tych sił oraz impulsów sił, a raczej wzajemne ich stosunki, powodują różne efekty ruchowe. Celowo ograniczamy się do ruchów w ogólnym pojęciu, ponieważ pomiar nasz dotyczy zmian wielkości reakcji podłoża. Pod działaniem siły nacisku (np. ciężkości) na podłoże powstaje równe i przeciwstawnie skierowane przeciwdziałanie, nazywane reakcją podłoża lub reakcją oporową. Reakcje podłoża ma miejsce zarówno w statyce, jak i w dynamice. Przy pionowym nacisku ciała na podłoże w bezruchu (V=0) reakcja podłoża równa się ciężarowi ciała. Reakcja podłoża w dynamice występuje wtedy, gdy ciało wywierające nacisk na podłoże posiada przyśpieszenie, wówczas do ciężaru ciała, dodaje się siłę bezwładności (ze znakiem + lub - ): R = Q + F1.

Podczas ruchów zapoczątkowanych na podłożu, zgodnie z 3 zasadą dynamiki Newtona, siła reakcji podłoża równa jest sile akcji ciała człowieka, ale o przeciwnym kierunku i zwrocie. Składową pionową siły akcji tworzy siła ciężkości G = m g i siła bezwładności Fi = ma związana z niejednostajnym ruchem ciała. Siła reakcji podłoża jest więc zależna od aktywności ciała.

Podczas stania na podłożu V = 0, siłę akcji stanowi tylko siła ciężkości, a więc R = G. W fazie związanej z aktywnym obniżeniem środka ciężkości ciała SC i wymachem kończyn - - początek zamachu, występuje siła bezwładności skierowana ku górze, a więc nacisk na podłoże maleje. Jest to faza obciążenia, w której R = G - Fi . Zmiana przyśpieszenia ma zwrot przeciwny - ku górze, wywoła siłę bezwładności o zwrocie zgodnym z siłą ciężkości i siła reakcji wzrośnie (koniec fazy zamachu i odbicia) R = G + Fi.

Charakterystyki rozwijanych sił reakcji są decydującym czynnikiem wpływającym na wynik w wielu dyscyplinach sportowych. Można więc powiedzieć, że platforma dynamometryczna powinna być podstawowym urządzeniem pomiarowym w sporcie. W szczególności trudno sobie wyobrazić trenera podnoszenia ciężarów, skoków lub rzutów, który w swej pracy nie korzystałby z wykresów sił uzyskanych na platformie. W najnowocześniejszych platformach wykorzystuje się zjawisko piezoelektryczne i oprócz trzech składowych sił reakcji mierzy się trzy składowe momentów. Są to urządzenia bardzo drogie ze względu na skomplikowane rozwiązania elektroniczne i sterowanie obróbki komputerowej wszystkich danych pomiarowych. Platformy takie produkuje firma „Kistler”. W Zakładzie Biomechaniki w Warszawie znajduje się uniwersalna platforma tensometryczna PT 2-00 skonstruowana w Zakładzie Konstrukcji Urządzeń Badawczych Instytutu Sportu w Warszawie.

Stanowisko pomiarowe :

Stanowisko do pomiaru siły reakcji składało się z następujących urządzeń:

• platformy dynamometrycznej,

• przetwornika siła - napięcie,

• rejestratora albo dodatkowo z przetwornika sygnału analogowego na cyfrowy A/C,

• komputera,

• rejestratora.

Tor pomiarowy siły reakcji podłoża wyglądał następująco:

Wymienione wyżej urządzenie pomiarowe pozwoliło nam na zarejestrowanie w formie krzywej zmian przebiegu sił reakcji podłoża. W sposób analityczny obliczyłem te parametry, które decydują o wielkości rozwijanych sił reakcji, prędkość wylotu środka ciężkości ciała i wysokości jego uniesienia. Ciało badanego znajdowało się (na początku) w bezruchu (statyka ), wartość reakcji podłoża równa się ciężarowi ciała. Następnie rozpoczyna się faza zamachu z wymachem kończyn górnych w tył i obniżeniem środka ciężkości ciała. Na początku tej fazy przyśpieszenie środka ciężkości (SC) skierowane jest do dołu, co powoduje działanie siły bezwładności skierowanej do góry - nacisk na podłoże maleje. Moment ten nazywamy odciążeniem, a pisak (komputer) rejestruje wartość siły mniejszą od ciężaru ciała. Zmiana kierunku przyśpieszenia na dodatnie (skierowane od podłoża) rozpoczyna się w chwili rozpoczęcia hamowania przysiadu. W tym momencie następuje zmiana kierunku działania siły bezwładności Fi, która sumując się z ciężarem ciała powoduje zwiększenie reakcji podłoża R. U wytrenowanych osobników wartość przeciążenia podłoża może dochodzić do czterokrotnej wartości ciężaru ciała.

Celem było:

1. Zapoznanie się z przebiegiem w czasie siły reakcji podłoża i jej związkiem z działaniem siły bezwładności.

2. Wyliczenie impulsu siły powodującego prędkość wylotu środka ciężkości (SC) badanej osoby i wykreślenie na tej podstawie wysokości wyskoku.

Obliczanie wartości pomiarowych dla:

Bartosza Słomińskiego

Urządzenie pomiarowe pozwoliło nam na zarejestrowanie w formie krzywej zmian przebiegu sił reakcji podłoża. W sposób analityczny możemy wyliczyć te parametry, które decydują o wielkości rozwijanych sił reakcji, prędkości wylotu środka ciężkości ciała i wysokości jego uniesienia.

Bartosz Słomiński

wzrost: 182 cm; masa ciała: 73,4 kg; trenował jeden rok piłkę nożną, jeden rok siatkówkę i 8 lat koszykówkę.

Pole duże (P₁) = 448 mm²

Pole małe (P₂) = 157 mm²

Pole duże (P₁) - Pole małe (P₂) = Pole c 448-157 = 291

Kolejność prowadzonych wyliczeń jest następująca:

1. Wyznaczam podziałkę dla wartości xt:

xt - czas przypadający na 1 mm = 0,04 s

2. Wyznaczam podziałkę dla wartości yR:

y R = G : h = m g : h = 14,6 y = 50

y R = [kgm /ss : mm] = [N/mm]

3. Obliczanie podziałki dla impulsu siły (F_t) na 1 mm²:

F_t = Pc (xt yR)

F_t = 169,94

4. Obliczam prędkość odbicia od platformy:

F_t = m V

V = 2,3 m/s

5. Obliczam na jaką wysokość w czasie wysiłku został uniesiony środek ciężkości:

E_k = E_p

mV² = 2mgh /:m

V² = 2gh /:2g

6. Obliczam pracę:

W = F s

W = mgh

W = 74 kg ⋅ 10 m/s ⋅ 0,26 m = 192,4 [J]

7. Obliczam energię kinetyczną:

8. Obliczam czas podczas zamachu:

t_zamachu = 7 mm ⋅0,04 s = 0,28 s

9. Obliczam średnią moc:

10. Obliczam czas lotu po odbiciu:

t_lotu = 0,52

11. Obliczam na jaką wysokość w czasie lotu został uniesiony środek ciężkości:

Porównanie wyników wyliczeń z punktów 5 i 11:

Pomiar wysokości uniesienia środka ciężkości ciała można wykonać kilkoma sposobami Jeden z nich to:

• przyjęcie za punkt wyjściowy do obliczeń prędkości początkowego wylotu środka ciężkości ciała wyliczonej z impulsu siły (
  )

• pomiar wysokości uniesienia środka ciężkości ciała z czasu lotu (
  )

Wysokość uniesienia środka ciężkości ciała podczas wyskoku jest rzutem pionowym do góry. Wzór
jest słuszny tylko dla środka ciężkości ciała i nie może być zastosowany do ruchu poszczególnych jego części, np. stóp.

Uzyskane wyniki nie różnią się istotnie od siebie. Wysokość uniesienia środka ciężkości zależy w tym przypadku od czasu lotu. Wraz z jego wydłużeniem uzyskamy lepszy rezultat. Wynik może być zniekształcony tylko przez lądowanie na mocno ugięte nogi, co wpływa na wydłużenie czasu lotu. Prawdopodobnie tak się też stało w moim przypadku, gdyż

dokonując obliczenia ze wzoru
otrzymałem wynik 0,26 m, a korzystając ze wzoru
= 0.34 m.

Metoda ta jest przydatna do określenia wpływu obciążeń treningowych na wielkość rozwijanego impulsu siły, oraz stopnia wytrenowania. W takim przypadku badany może wykonać wyskoki z różnymi obciążeniami. Uzyskane dane mogą pomóc w doborze wielkości obciążenia w stosunku do ciężaru ciała maksymalnego, związanego z optymalizacją treningu siłowo-szybkościowego.

Podczas wyskoku na platformie wyróżnia się cztery fazy:

• zamach (obniżenie SM podczas kontaktu skaczącego z podłożem),

• odbicie (unoszenie SM podczas kontaktu z podłożem),

• lot (brak kontaktu skaczącego z podłożem R_z=0),

• lądowanie (kontakt z podłożem po fazie lotu do chwili osiągnięcia stałej wartości siły reakcji R_z=0).

W trakcie rozwoju ontogenetycznego człowieka obserwuje się zmiany poziomu jego cech fizycznych. Najbardziej interesującym, szczególnie dla praktyki sportowej, jest okres wzrastania organizmu. Poszczególne cechy fizyczne (siła, moc, szybkość) zmieniają się w tym czasie w różnym tempie. Siła eksplozywna mięśni kończyn dolnych, oceniana zwykle przy pomocy prób testowych (wyskok dosiężny) zwiększa się zgodnie z dotychczasowymi obserwacjami (nawet do 23 roku życia).

Miarą efektywności wyskoku dosiężnego jest najczęściej wysokość uniesienia OSC (h). Wysokość ta zależy od rozwiniętego popędu siły (F_t) oraz od masy ciała. Przebieg siły reakcji podłoża i czas odbicia są indywidualnie zmienne.

Ocena błędu pomiarowego:

Błędy pomiarowe mogą być spowodowane przez:

• wadliwe działanie urządzeń pomiarowych,

• przeniesienie rąk w tył podczas obniżenia środka ciężkości (powstają wtedy zbędne przyruchy, powodujące niedokładność na wykresie sił reakcji podłoża),

• pomyłki obliczeniowe.

Poza tym pewną niedogodnością przy rejestracji wysokości wyskoku na platformach jest potrzeba rozpoczynania próby z pozycji statycznej. Zastosowana wysokiej klasy aparatura pomiarowa jest obciążona błędem związanym z działaniem przetwornika analogowo--cyfrowego. Według G.Bartosiewicza błąd pomiarowy siły reakcji podłoża dla ośmiobitowego przetwornika A/C powoduje błąd oceny:

• prędkości maksymalnej V - około 2,3%,

• wysokości wyniesienia środka ciężkości h - około 4,5%,

• mocy maksymalnej P - około 3,3%.

Podsumowanie:

Na ogół trening o charakterze siłowym wpływa na wyższy wzrost skoczności niż trening szybkościowy, natomiast na moc kończyn oba typy treningów wpływają podobnie. Dokładnej analizie można poddać parametry wyskoku pionowego, związane z techniką wyskoku i koordynacją ruchową.

Platformę tensometryczną wykorzystuje się do analizy techniki odbicia w różnych dyscyplinach sportowych, takich jak gimnastyka, lekka atletyka (skoki, rzuty, start niski, biegi). Metodę rejestracji dynamiki siły można zastosować w urządzeniach, w które uda się wbudować czujniki tensometryczne (wiosło, dulka wioślarska, worek bokserski itp.).

Bibliografia:

1. Fidelus K.: Przewodnik do ćwiczeń z teorii sportu.

1. Jurczak A., Ruchlewicz T.: Zmienność parametrów biomechanicznych wyskoku dosiężnego w procesie ontogenezy. W: Ogólnopolska Konferencja Biomechaniki. Materiały. Gdańsk 1990.

2. Kornecki S., Bober T.: Systematyzacja biomechanicznych metod badania techniki ruchu. Zeszyty Naukowe AWF Wrocław 1989 nr 49.

3. Musiał W., Wychowański M., Martyn A., Gajewski A.K., Wierzyńska-Starosta K.: Pomiar mocy w ocenie cech fizycznych. Sport Wyczynowy 1989 nr 6.

10

---