Полещук. Основы гониометрической практики

Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Карельский государственный педагогический университет»

Н. К. Полещук

Учебное пособие

Допущено
Учебно-методическим объединением
по направлениям педагогического образования
Министерства образования Российской Федерации
в качестве учебного пособия
для студентов факультетов
физической культуры высших учебных заведений

Петрозаводск
2004

Печатается по решению РИСа ГОУВПО «КГПУ»

Рецензенты:

Светлой памяти любимой мамочки
Ольги Александровны Улаковой
Посвящаю

Введение. ГОНИОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

Измерение углов в сочленениях тела называется гониометрией. Метод, построенный на реализации двигательных заданий (ДЗ), объектом измерения в которых является суставной угол, именуется гониометрическим.

Первые шаги в становлении гониометрии как относительно самостоятельного метода исследований связаны с развитием теории тестирования двигательных качеств путем организации специальных контрольных упражнений (Н. В. Зимкин). Постепенно этот метод внедряется в практику физиологических, нейрофизиологических, биологических, психологических и педагогических исследований. Такой широкий спрос на гониометрический метод не случаен.

Исследования ведущих ученых в области управления движениями (Н. А. Бернштейн, Р. Гранит, В. С. Гурфинкель, В. С. Фарфель, Л. В. Чхаидзе) убеждают в том, что метод гониометрии можно определить как метод с полифункциональными возможностями, если ДЗ, составляющие его основу, выполнять без зрительного контроля.

Выражение «гониометрия — полифункциональный метод» означает то, что с помощью простых ДЗ, которые занимают минимальное время и хорошо вписываются в программы спортивных тренировок и занятий физической культурой, можно оперативно решать задачи, имеющие своей целью:

• оценку предела и уровня точности суставных перемещений. Задачи с такой целью относятся к категории задач аттестационного порядка;

• оценку изменений предела и уровня точности суставных перемещений, происходящих в результате действия различных возмущающих факторов: а) внешних (например, линейных, угловых ускорений; повышения температуры окружающей среды; суточной периодики); б) внутренних (например, обследуемый утомлен, возбужден). Задачи с такой целью относятся к категории задач контроля влияний;

• выявление причинно-следственных отношений между состоянием функциональной системы, на структурную единицу которой оказывалось воздействие, и результатом анализа точности суставных перемещений. К числу функциональных систем, состояние которых можно оценивать с помощью метода гониометрии, относятся нервно-мышечная, центральная нервная и вестибулярная системы.

Для спортивной практики решение каждой из вышеназванных задач имеет принципиальное значение. В частности, полнота и объективность информации, получаемой в результате решения задач аттестационного порядка, позволяют приблизить планирование тренировочных занятий к реальным потребностям спортсмена.

Результаты «контроля влияний» позволяют своевременно корректировать нагрузку и целенаправленно организовывать процесс тренировки, учитывая физические возможности спортсмена в данный момент времени. Иными словами, реализация метода гониометрии обеспечивает спортсмена и тренера основными данными для организации тренировок с минимумом ошибок.

Говоря о перспективности использования гониометрического метода в учебном процессе, достаточно просто перечислить дисциплины, при изучении которых обращаются к этому методу. К числу таких дисциплин относятся: биомеханика, спортивная метрология, научные исследования в спорте, анатомия, физиология, нейрофизиология, педагогика, психология и другие. Есть все основания ожидать, что спрос на гониометрический метод и впредь не будет снижаться, а его эффективность будет повышаться с ростом прогресса во многих областях науки и техники.

Часть I. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Глава 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИЗМЕРЕНИЙ СУСТАВНЫХ УГЛОВ

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О СУСТАВНОМ УГЛЕ И ТЕРМИНОЛОГИЯ

Ключевые слова: физическая величина, суставной угол, межзвенный угол, угол отклонения, размер, числовое значение.

Понятие суставной угол является неэлементарным понятием, сущность которого сочетает в себе признаки, характеризующие его как анатомическое образование, атрибут биомеханической системы и объект измерения.

Акцентируем внимание на суставном угле как объекте измерения. Докажем, что он является физической величиной, а затем уточним терминологию, относящуюся к этому понятию.

СУСТАВНОЙ УГОЛ — ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА

Прошло уже более 200 лет с тех пор, как Леонард Эйлер (математик, физик) дал определение физической величины.

Согласно положениям определения суставной угол является физической величиной, потому что он может быть уменьшен/увеличен и количественно оценен.

Обратим внимание. Часто термин «величина» применяют для выражения количественной характеристики измеренного суставного угла, ошибочно говоря «величина суставного угла». Это неверно, так как суставной угол сам является физической величиной и использование слова «величина» перед наименованием физической величины приводит к тавтологии «величина величины». В этих случаях следует применять термин не «величина», а «размер» или «значение». Грамотными будут словосочетания «размер суставного угла» или «значение суставного угла».

Значение суставного угла не следует смешивать с его размером, так как размер данного угла существует реально и независимо от того, знаем мы его или нет. Значение же суставного угла, в том числе и данного, получают в результате измерения или путем вычисления, основанного на результатах измерения.

В принципе процедура измерения любой физической величины осуществляется так:

1) устанавливается некоторая известная величина (именуемая мерой или единицей) того же рода, что и измеряемая величина;

2) путем сравнения определяется, в каком отношении находится измеряемая величина к выбранной мере. Результат такого сравнения всегда выражается в виде числа, которое и является искомым значением измеренной величины.

Бывают случаи, когда процедура измерения данной величины очень затруднительна. Тогда, чтобы все-таки измерить такую величину, вводят одно или несколько новых понятий. Так обстоит дело и с измерением суставного угла.

Суставной угол представляет собой сложное анатомическое образование, ввиду чего прямая оценка его значения затруднительна. Поэтому, когда в спортивной практике необходимо измерить суставной угол, для нахождения его числового значения пользуются понятиями межзвенный угол или угол отклонения.

Измерить межзвенный угол — значит оценить взаимное расположение двух звеньев, одно из которых относительно оси вращения сустава считается условно неподвижным, а другое — подвижным. Например (рис. 1), для оценки межзвенного угла в локтевом суставе измеряют угол между плечом (неподвижным звеном) и предплечьем (подвижным звеном).

УГОЛ ОТКЛОНЕНИЯ

Обозначим угол отклонения символом φ (фи).

Измерить угол отклонения — значит оценить произошедшее с течением времени изменение положения подвижного звена, т. е. найти экспериментальным путем значение угла между исходным и текущим положениями этого звена.

Поэтому когда речь идет о физической величине «суставной угол», то его как объект измерения всегда следует конкретизировать, т. е. называть вид угла, подлежащий измерению: межзвенный λ° или угол отклонения φ°.

Пример 1.1. Иллюстрация причины появления ошибок.

ЗАДАЧА. Тренер, разрабатывая планы тренировок мужчин-волейболистов, решил учесть результаты оценки угла сгибания в коленных суставах.

Предположим, в протоколе результаты измерения будут записаны в следующем виде: а) 75° — результат спортсмена А, б) 98° — результат спортсмена Б.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ. На основе записи результатов измерения могут быть сделаны следующие выводы:

1) если измерялся межзвенный угол λ°, то более высокой подвижностью обладает спортсмен А, так как λ°(А) < λ°(Б);

2) если измерялся угол отклонения φ°, то более высокой подвижностью обладает спортсмен Б, так как φ°(Б) > φ° (А).

ОТВЕТ: данные выводы альтернативны, и какой из них правильный — неизвестно. Поэтому при формулировке ДЗ и записи результатов тестирования должен быть указан вид измеренного суставного угла. Например, λ(А)=75° и λ(Б)=98°. В этом случае правильным будет первый вывод.

Рекомендации. Чтобы не было путаницы, предлагается использовать единую терминологию (табл. 1).

1. Называя межзвенный угол, указывать направление движения подвижного звена и название сустава, с которым звено сочленено.

2. Называя угол отклонения, указывать направление движения подвижного звена и его название.

3. Для обозначения направления движений головы и туловища применять термины: наклон (вперед-назад, к правому-левому плечу), поворот (вправо-влево), выпрямление (после наклона).

4. Для обозначения направления движений звеньев рук и ног применять термины: сгибание-разгибание, отведение-приведение, пронация-супинация и ротация.

Таблица 1

Примеры названий межзвенных углов и углов отклонения

1.2. МЕРЫ И СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ СУСТАВНЫХ УГЛОВ. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ИЗМЕРЕНИЙ

1.2.1. МЕРЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Ключевые слова: мера, линейная, угловая, линейка, транспортир.

В гониометрической практике физической величиной, т. е. объектом измерения, является суставной угол. Для определения его значения применяют линейную и угловую меры.

Мерой линейных физических величин является линейка с делением (метр — м, сантиметр — см, миллиметр — мм), угловых — транспортир с делением (градус — °, минута — ', секунда — ").

Транспортир (рис. 4) состоит из полукруга, скрепленного с линейкой, которая снабжена поперечным масштабом и риской. Полукруг имеет две параллельные шкалы — внешнюю с делением от 0° до 180° и внутреннюю с делением от 180° до 0°. В гониометрической практике часто используют круговой транспортир, имеющий внешнюю шкалу от 0° до 360° и внутреннюю — от 360° до 0°.

Рис. 4. Измерение межзвенного угла λ° и угла отклонения φ° с помощью транспортира

При работе с транспортиром следует соблюдать следующие правила:

1. Линейку транспортира располагать вдоль неподвижного звена в плоскости (фронтальной, сагиттальной, горизонтальной; рис. 5), в которой совершается движение подвижной части тела.

2. Риску линейки транспортира совмещать с суставом.

3. Для измерения межзвенного угла λ° использовать шкалу транспортира, направление которой совпадает с направлением от неподвижного звена к подвижному.

4. Для измерения угла отклонения φ° использовать шкалу транспортира, направление которой совпадает с направлением от исходного положения подвижного звена к текущему, т. е. к положению, которое это звено занимает в момент измерения.

Рис. 5. Ориентация основных плоскостей тела человека и осей: X — поперечная, Y — передне-задняя, Z — продольная оси

1.2.2. СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Ключевые слова: способ измерения, прямой, косвенный, совокупный, совместный.

Метрология различает четыре способа измерений:

На этих способах базируется и гониометрический метод. Рассмотрим каждый способ измерения в отдельности.

ПРЯМОЕ ИЗМЕРЕНИЕ.

Иными словами, при прямом измерении экспериментальным операциям подвергают суставной угол, который сравнивают с угловой мерой (например, используют транспортир) или же регистрируют с помощью измерительных приборов, отградуированных в угловых единицах — градусах, минутах. Реализацию способа «Прямое измерение» иллюстрирует пример 1.2.

Пример 1.2. Реализация способа «Прямое измерение».

ЗАДАЧА. Требуется оценить разгибательную подвижность лучезапястного сустава.

Справочная информация для гимнастов новичков
(Ю. В. Менхин, 1989)

КОСВЕННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ

От прямого косвенный способ отличается тем, что экспериментально измеряют не собственно суставной угол, а функционально связанную с ним физическую величину. Такой величиной может быть:

• линейное перемещение активной части тела, т. е. части тела, за перемещением которой наблюдают. В горизонтальной плоскости это будет длина/ширина, а в вертикальной — высота/глубина перемещения (рис. 6, а, б);

• расстояние между частями тела, расположенными друг к другу под углом, значение которого определяется (рис. 6, б).

Рис. 6. Линейные перемещения

После измерения искомое значение суставного угла определяют путем вычислений (пример 1.3). Расчетные формулы могут быть простыми (например, состоять из одного арифметического действия — сложения и т. п.) и сложными (например, состоять из нескольких арифметических и тригонометрических действий).

В спортивной практике наибольшее распространение получил тригонометрический расчет. Он базируется на решении уравнений, содержащих переменные (λ или φ) под знаком тригонометрических функций: sin λ(sin φ), cos λ (cos φ), tg λ(tg φ), ctg λ(ctg φ).

Процесс косвенного измерения требует выполнения следующих действий:

1. В эксперименте путем измерения находят числовое значение физической величины, функционально связанной с суставным углом, значение которого требуется определить.

2. После эксперимента или предварительно измеряют длину активной части тела, т. е. части тела, за перемещением которой наблюдают.

3. Записывают тригонометрическую функцию между измеренными физическими величинами.

4. Пользуясь известной обратной тригонометрической зависимостью, с помощью таблиц Брадиса находят искомое значение суставного угла (приложение, табл. 1).

Пример 1.3. Реализация способа «Косвенное измерение».

ЗАДАЧА. Требуется оценить разгибательную подвижность тазобедренного сустава

Справочная информация для гимнастов-новичков

(Ю. В. Менхин, 1989)

СОВОКУПНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ

Иными словами, совокупный способ сводится к n-кратной (n ≥ 2) реализации прямого или косвенного способов. После этого искомое значение суставного угла определяют путем расчетов. Типичным примером совокупных измерений является определение относительных угловых перемещений звена или звеньев тела (пример 1.4).

Пример 1.4. Реализация способа «Совокупное измерение».

ЗАДАЧА. Требуется у пловца-кролиста определить дефицит активной подвижности стопы вокруг поперечной оси X (поясняющая информация в подразделе 2.1.4).

Справочная информация. При условии Δφ < 7° подвижность стопы для пловцов считается достаточно высокой.

СОВМЕСТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ

В принципе совместный способ измерения от совокупного отличается тем, что он реализуется на использовании угловой и линейной мер, т. е. путем применения сразу двух способов: прямого и косвенного. Реализацию способа «Совместное измерение» иллюстрирует пример 1.5.

Пример 1.5. Реализация способа «Совместное измерение».

ЗАДАЧА. Требуется оценить оптимальность посадки фигуриста.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ. Прямо измерить угол Ψ трудно, поэтому обращаются к совместному способу.

Порядок действий

1. Измеряют угол сгибания в голеностопном λ₁ и коленном λ₂ суставах, используя прямой способ.

2. Находят значение угла сгибания в тазобедренном суставе λ₃, используя косвенный способ:

• измеряют расстояние между плечевым и коленным суставами (L_П-К);

• измеряют длину туловища L_Т и бедра L_Б;

• записывают тригонометрическую функцию, используя теорему косинусов:

• пользуясь обратной тригонометрической функцией λ₃ = arccos λ₃, для вычисленного значения cos λ₃ находят по таблице Брадиса значение угла сгибания в тазобедренном суставе λ₃.

3. Находят значение угла наклона туловища к поверхности льда, используя формулу (А. Н. Мишин, 1971)

Ψ=λ₁ + λ₃ – λ₂.

4. Оценивают оптимальность посадки фигуриста. Для этого сравнивают Ψ с Ψ_опт, который равен 60–70°.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПОСОБОВ ИЗМЕРЕНИЯ

Сопоставляя прямой и косвенный способы измерений, можно отметить, что прямой способ нередко информативнее и проще в обращении, так как он не связан с необходимостью применения дополнительных расчетов. Косвенный же способ обеспечивает бесконтактный контроль и позволяет использовать приборы, имеющие более мелкую цену деления. Отсюда следует, что косвенный способ может отличаться простотой и меньшей погрешностью измерений.

На практике же способ косвенных измерений признается как более рациональный в следующих случаях:

а) когда суставной угол невозможно или слишком сложно измерить непосредственно в процессе эксперимента;

б) когда прямое измерение дает бо́льшую погрешность, чем требуют того выводы.

Это значит, что ограничения в выборе способа измерения суставного угла могут быть обусловлены только целью решаемой задачи и доступностью/недоступностью его (способа) применения в заданных условиях.

Данная информация в равной мере распространяется на совокупный и совместный способы, которые, напомним, являются производными от прямого и/или косвенного способов.

Классификационные признаки способов измерений, используемых в гониометрии, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Классификационные признаки измерения суставных углов

1.2.3. СТАНДАРТИЗАЦИЯ В ГОНИОМЕТРИИ

Ключевое понятие: стандартизировать — значит придать однообразие чему-нибудь.

В гониометрической практике требование стандартизации распространяется:

• на единицы измерения;

• на виды измеренных углов.

СТАНДАРТИЗАЦИЯ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ

Напомним. Измерять суставные углы можно, используя единицы угловой и линейной мер (подраздел 1.2.2).

Сравнивать же числовые данные, полученные в результате измерения суставных углов, разрешается только в том случае, если они (результаты) будут выражены в угловых единицах, т. е. стандартизированы.

С позиции практики это значит, что результаты измерения углов, полученные прямым способом, можно сравнивать сразу. При реализации косвенного, совокупного и совместного способов измерений процедуре сравнения должна обязательно предшествовать процедура перевода линейных единиц в угловые. В противном случае возможны ошибочные (неправильные) выводы, если в обследовании будут участвовать спортсмены, отличающиеся своими антропометрическими характеристиками (линейными размерами частей тела). В качестве иллюстрации на рисунке 7 приведен вариант выполнения ДЗ юной и взрослой гимнастками.

Рис. 7. Влияние единиц измерения на интерпретацию оценки суставной подвижности обследуемых, отличающихся размерами тела. Разгибательная подвижность бедра у спортсменок А и Б: а) одинаковая — вывод правомерный; б) разная — вывод неправомерный

УЧЕТ ВИДА ИЗМЕРЕННОГО УГЛА

Напомним. Чтобы оценить суставной угол, измеряют межзвенный угол λ° или угол отклонения φ°. Углы λ° и φ° являются смежными и их значения могут существенно различаться (пример 1.1., рис. 3).

Поэтому:

Рекомендация. При формулировке ДЗ следует использовать единую терминологию (табл. 1), а при записи результата указывать вид измеренного суставного угла λ° или φ°.

1.2.4. ПРАВИЛО ПЕРЕВОДА ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЙ

Ключевое понятие: десятичный разряд — количество значащих цифр после запятой.

Например, если в эксперименте с точностью до десятых/сотых долей линейных единиц измерялась физическая величина, функционально связанная с суставным углом, то значение рассчитанного угла должно соответственно выражаться в десятых/сотых долях угловых единиц (табл. 3).

Таблица 3

Правильные варианты записи результатов
измерения и расчета

Примечание. В гониометрической практике, как правило, при измерении, а значит и при пересчете, ограничиваются целыми числами или одной значащей цифрой после запятой.

1.3. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

1.3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В гониометрической практике находят применение дистанционные, контактные и дистанционно-контактные технические средства измерения (ТСИ), дающие результаты в угловых и линейных единицах.

Дистанционные ТСИ — это средства, не имеющие контакта с обследуемым объектом. К ним относятся: а) фото-, кино- и видеорегистрирующие комплексы; б) технический инструментарий в виде измерительных линеек и визирных планшетов.

Контактные ТСИ — это средства, которые крепятся на теле обследуемого. К ним относятся приборы, именуемые гониометрами.

Дистанционно-контактные ТСИ — это средства, объединяющие в себе дистанционный и контактный способы измерения. К числу таких ТСИ относятся средства с дистанционным

съемом сигнала, получаемого с помощью радиотелеметрических датчиков или гибких световодов, которые на время обследования размещаются на теле спортсмена. Использование гибких световодов особенно эффективно при изучении угловых перемещений частей тела, которые на своем протяжении имеют кривизну (например, стопы, позвоночный столб).

1.3.2. ДИСТАНЦИОННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

Ключевые слова: визирный планшет, наблюдения, измерения.

Из всего многообразия дистанционных ТСИ обратим внимание на визирные планшеты, реализация которых не требует специального дорогостоящего оборудования.

ВИЗИРНЫЕ ПЛАНШЕТЫ

Конструкция (рис. 8, а). Визирный планшет представляет собой прозрачную пластинку из органического стекла размером 9×12 см или 13×20 см, на которой гравируются шкалы расстояний и углов соответственно в виде горизонтальных (вертикальных) и наклонных осей. Точки пересечения осей выделяются отверстиями, которые в процессе измерения выполняют функцию контрольных точек. Функцию контрольных направляющих выполняют горизонтальные и вертикальные оси.

Рис. 8. Визирный планшет

Рис 8. Пример организации процедуры наблюдения

Организация процедур наблюдения и измерения. Наблюдающий удерживает планшет на расстоянии 30 см от глаз и на расстоянии 5–6 м от обследуемого. Чтобы оценить выполнение задания (упражнения), контрольные точки планшета совмещают с контролируемыми суставами, а контрольные направляющие ориентируют вдоль горизонтальной и вертикальной осей тела обследуемого и/или вдоль осей предмета, с которым контактирует обследуемый.

В качестве иллюстрации на рисунке 8, б приведен пример визуального наблюдения за параметрами движений штангиста и снаряда. Планшет разработан Р. А. Татишвилли (1969).

Эксплуатационные возможности. С помощью визирных планшетов можно измерять перемещения тела, частей тела и снаряда (приложение, рис. 1, 2, 3):

• угловые;

• линейные горизонтальные;

• линейные вертикальные.

Достоинством визирных планшетов является то, что с их помощью можно осуществлять объективный контроль не просто

на расстоянии, а за естественно удаленными спортсменами, например, такими, как прыгуны в воду.

В физкультурной и спортивной практике находят широкое применение визирные планшеты, на которых, кроме контрольных ориентиров, гравируются контуры упражнений и шкалы оценок в баллах. В приложении (рис. 1) приведен общий вид визирных планшетов, разработанных Э. И. Яцкевичем (1969). С помощью планшетов удобно осуществлять оперативный и систематический контроль за уровнем и темпами развития подвижности в основных суставах.

1.3.3. КОНТАКТНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

Ключевые слова: класс, подкласс, тип, механогониометр, магнитогониометр, электрогониометр, преобразователь, датчик.

В технике принято выделять следующие три классификационные категории контактных ТСИ: класс, подкласс, тип.

Критерием, согласно которому контактные ТСИ подразделяются на классы, является носитель информации — вид энергии. Различают три вида энергии: механическую, магнитную и электрическую. Соответственно этим видам энергии контактные ТСИ подразделяются на механические, магнитные и электрические.

На аналогичные три класса подразделяются и технические средства, предназначенные для измерения суставных углов. Именуются такие ТСИ механо-, магнито- и электрогониометрами.

Подклассы выделяют только в классе электрогониометров. Поэтому все положения, относящиеся к этому вопросу, будут рассмотрены при изложении темы «Класс электрогониометры».

На типы гониометры подразделяются в каждом классе. Классификационными критериями, согласно которым ведется подразделение гониометров на типы, являются:

• длина измерительной шкалы (например, 90°, 270°, 360°);

• конструктивные особенности указывающего элемента (например, шарик-указатель, легкая стрелка, стрелка с сосредоточенным весом, т. е. стрелка-отвес);

• количество и конструктивные особенности направляющих оснований, которыми гониометр контактирует с телом обследуемого (например, одно, два, п направляющих оснований, имеющих форму линеек или изогнутых пластин).

Акцентируя внимание на этих позициях, познакомимся с принципом действия и эксплуатационными возможностями гониометров, которые находят широкое применение в различных сферах физического воспитания и спорта.

КЛАСС МЕХАНОГОНИОМЕТРЫ

Рассмотрим три типа конструкций механогониометров:

1) кинематометр;

2) маятниковый гониометр;

3) кинематометр маятникового типа.

КИНЕМАТОМЕТР

Конструкция и принцип действия (рис. 9). Кинематометр — механический угломер с двухзвенным креплением. Его основу составляют два шарнирно соединенные направляющие основания, выполненные в виде жестких планок (линеек,