Перспективы использования фазового пространства в информационном обеспечении анализа спортивных движений

Описаны возможности применения метода фазового пространства в биомеханическом анализе спортивных движений: оценка эффективности и адекватности основного и специальных упражнений, а также изучение механизмов активации мышц и их рецепторного аппарата. Приведен пример оценки механизмов активации мышц при беге на средние дистанции в различном темпе.

Самсонова А.В., Ципин Л.Л., Барникова И.Э. Перспективы использования фазового пространства в информационном обеспечении анализа спортивных движений // Научно-технический вестник Поволжья, 20019.- № 9.- С. 40-43.

05.13.01

А.В. Самсонова, д-р пед. наук, Л.Л. Ципин, д-р пед. наук, И.Э. Барникова, канд. пед. наук

Национальный государственный университет физической культуры, спорта и здоровья имени П.Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург
(НГУ им. П.Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург), кафедра биомеханики,

l_tsipin@mail.ru, barnikova@mail.ru

 

Перспективы использования фазового пространства в информационном обеспечении анализа спортивных движений

 Метод фазового пространства успешно применяется в информационном обеспечении исследований, связанных с изучением механизмов управления движениями и оценкой состояния здоровья человека. В спорте большой информативностью обладают фазовые траектории, построенные в координатах «текущая длина – скорость изменения длины мышцы». С их помощью произведена оценка эффективности упражнений в спринтерском и барьерном беге, педалировании, беге на средние дистанции, волейболе, атлетизме. Перспективными направлениями использования фазового пространства при анализе спортивных движений являются изучение механизмов активации мышц и их рецепторного аппарата, сравнение основного и специальных упражнений.

Ключевые слова

информационное обеспечение анализа спортивных движений, фазовое пространство, фазовые траектории, спортивные движения, эффективность упражнений.

Введение

Фазовое пространство – это пространство, в котором представлено множество всех возможных состояний динамической системы. Каждому ее состоянию (фазе) соответствует одна единственная точка, а изменение состояния системы характеризуется перемещением этой точки, которое называется фазовой траекторией. Для механических систем координатами фазового пространства являются пространственные координаты элементов системы и их импульсы. В случае двух координат фазового пространства  и  анализ системы сводится к рассмотрению кривой на фазовой плоскости. Преимуществом этого метода является возможность судить о состоянии системы, не прибегая к решению дифференциальных уравнений. Цель настоящего исследования состоит в ретроспективном анализе использования метода фазового пространства при решении различных биологических задач и определении перспективных направлений его применения при изучении спортивных движений.

Методы исследования

Осуществлялся анализ отечественной и зарубежной специальной литературы по физиологическим, биомеханическим и спортивно-педагогическим аспектам проблемы применения метода фазового пространства за последние 50 лет. Кроме того, обобщены итоги деятельности в данном направлении научной школы кафедры биомеханики НГУ им. П.Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург «Биомеханика силовых способностей».

Результаты

Основой для изучения возможностей метода фазового пространства при анализе спортивных движений послужили результаты его применения в биологии, в частности, в физиологии и биомеханике. В связи с этим уместно рассмотреть применение данного метода в указанных областях.

Использование метода фазового пространства в биологии

Большинство исследователей в России и за рубежом использовали анализ фазовых траекторий в координатах «межзвенный угол – угловая скорость». И.Б. Клочков и соавт. на основе сравнительной оценки в фазовом пространстве траекторий обобщенных импульсов и обобщенных координат исследовали качество протезов бедра и голени человека и рекомендовали конструкцию тренажеров с биологической обратной связью [1]. А.Г. Фельдман первым предложил использовать фазовые траектории в координатах «текущая длина – скорость изменения длины мышцы». Он проанализировал механизмы управления активностью мотонейронного пула при решении простейших двигательных задачах [2]. В.В. Александров и соавт. применили фазовые траектории для выявления вида взаимосвязи между различными признаками ЭКГ человека [3]. Использование метода фазового пространства и математического моделирования при изучении движений в суставах ног при ходьбе позволило В.А. Богданову проанализировать изоэнергетически дискретное управление движениями со стороны центральной нервной системы [4]. Впоследствии было показано, что использование фазовых траекторий для анализа ходьбы и бега может найти широкое применение в системах коррекции движений [5, 6, 7].

Цикл работ по использованию метода многомерных фазовых пространств при изучении физиологических функций человека был проведен сотрудниками Сургутского государственного университета. Так, В.А. Вишневский разработал комплексный подход к оценке состояния здоровья школьников на основе параметров квазиаттрактора вектора состояния организма (области фазового пространства, в котором вектор состояния системы непрерывно изменяется) [8]. Т.В. Гавриленко и соавт. применили метод фазовых пространств для анализа динамики тремора [9]. С.И. Логинов и соавт. изучили движение квазиатракторов физической активности мужчин и женщин в 3-х мерном фазовом пространстве при оценке их локомоторной активности [10].

Использование фазового пространства в спорте

Впервые метод фазового пространства при изучении спортивных движений был применен для анализа работы мышц при спринтерском беге. I.M. Kozlov и A.V. Samsonova получили фазовые траектории в координатах «текущая длина – скорость изменения длины мышцы» с отмеченными периодами электрической активности мышцы [11]. Для анализа спортивных движений использование таких фазовых траекторий имело принципиальное значение, поскольку изменение длины двусуставных мышц невозможно оценить, используя координаты «межзвенный угол – угловая скорость».

Наиболее полно метод фазового пространства при изучении целостных двигательных действий представлен в работах А.В. Самсоновой. Ею впервые получены фазовые траектории мышц нижних конечностей человека при спринтерском и барьерном беге, а также педалировании в различном темпе. В дальнейшем этот подход был реализован при изучении двигательных действий в спринтерском беге, беге на средние дистанции, волейболе и атлетизме.

А.В. Самсонова и соавт. установили, что программы управления активностью одних и тех же мышц в беге и педалировании на велосипеде во многом схожи. Так, например, при повышении темпа движения активность двуглавой мышцы бедра возникает при меньших значениях длины мышцы. «Смещение» активности мышцы приводит к тому, что при максимальном темпе движения мышца активна только в уступающем режиме, т.е. максимально стимулированная мышца активно противодействует растягиванию [12]. Исследованиями И.М. Козлова с соавт. было показано, что при беге с различной скоростью и при выполнении специальных беговых упражнений используется одна двигательная программа, которая в каждом конкретном случае перестраивается в соответствии с двигательной задачей (масштабируется по амплитуде и по времени) [13].

Перспективы использования фазового пространства в информационном обеспечении анализа спортивных движений

Рис. 1 – Фазовые траектории прямой мышцы бедра при беге на 800 м
с соревновательной скоростью (слева) и при беге со скоростью 4.5 м/с
в подъем с углом 4° (справа): жирные линии – периоды активности мышцы

 

На основе сравнения фазовых траекторий были введены критерии адекватности основного и специального упражнений в спринтерском и барьерном беге [12]. А.М. Доронин, используя эти критерии, провел сравнительный анализ ряда упражнений в пауэрлифтинге и волейболе [14]. Л.Л. Ципин в качестве одного из критериев эффективности специальных упражнений в беге на средние дистанции предложил коэффициент биомеханического соответствия, который находится путем сравнения положения периодов наибольшей активности мышц на фазовых траекториях при выполнении основного и специального упражнений (рис. 1) [15].

А.В. Воронов с соавт. получили фазовые траектории в координатах «межзвенный угол – угловая скорость» при ходьбе и беге в различном темпе на дорожках с различной жесткостью покрытия. Авторы заключили, что площадь фазовых траекторий служит различительным признаком, свидетельствующим об изменении локомоторной стратегии при изменении механических свойств опоры [16]. А.В. Воронов и Ю.С. Лемешева также исследовали фазовые траектории при беге на коньках со скоростью 10,5-12,8 м/с [17].

Заключение

Проведенный анализ позволяет выделить следующие перспективные направления использования фазового пространства при анализе спортивных движений: изучение механизмов активации мышц при различном темпе движений; сравнение основного и специальных упражнений; оценка состояния утомления мышц; оценка функционирования рецепторного аппарата мышц.

 Список литературы

  1. Клочков, И.Б., Поветкин, Ю.С., Жуков, В.А., Соломонов Ю.Ф. Применение ЭВМ для анализа обобщенных фазовых портретов движения в тренажерах с биологической обратной связью // Биомеханика спорта: тез. докл. VI Всесоюз. конф. – Чернигов, 1989. – с. 88-89.
  2. Фельдман А.Г. Центральные и рефлекторные механизмы управления движениями. – М.: Наука, 1979. – 184 с.
  3. Александров, В.В., Шеповальников, А.Н., Шнейдеров B.C. Машинная графика физиологических данных . – Л.: Наука, 1981. – 111 с.
  4. Богданов, В.А. Особенности регуляции локомоторных движений человека // Биофизика. 1985. – Т.30, Вып.5. – c. 900-904.
  5. Hamill, J., Haddad, J.M., Van Emmerik R.E.A. Using coordination measured for movement analysis // 23 International Symposium on Biomechanics in Sports. – Beijing, 2005. – pp. 33-38.
  6. Jaworek, K. Application of phase diagrams to the analysis of human motion studies // Biology of Sport. – 1988. – Vol. 5, Suppl. l. – pp. 47-54.
  7. Richard, E.A. van Emmerik, Miller, R.H., Hamill J. Dynamical Systems Analysis of Coordination Research Methods // Research methods in biomechanics / D. Gordon E. Robertson, G.E. Caldwell, J. Hamill et al. (2nd edition). – Champaign, IL. – 2014. – P. 291-315.
  8. Вишневский, В.А. Метод многомерных фазовых пространств в управлении системой оздоровления школьников // Теория и практика физической культуры. – 2012. – № 10. – с. 83-88.
  9. Гавриленко, Т.В., Баженова, А.Е. Балтикова, А.А., Башкатова, Ю.В., Майстренко, Е.В. Метод многомерных фазовых пространств в оценке хаотической динамики тремора // Вестник новых медицинских технологий – 2013. – №1. – с. 5
  10. Логинов, С.И., Ветошников, А.Ю., Кинтюхин, А.С., Снигирев, А.С Биомеханическое исследование локомоторной активности человека с помощью датчиков регистрации движений с позиции теории хаоса и самоорганизации сложных систем // Сложность. Разум. Постнеклассика. – Сургут, 2014. – № 1. – с. 4-13.
  11. Kozlov, I.M., Samsonova A.V. Muscles activity control when running // 6-th International Symposium on Biomechanics in Sport. – Bozeman, Montana: Montana State University. – 1988. – p. 22.
  12. Самсонова, А.В., Кичайкина, Н.Б., Козлов, И.М. Фазовые портреты мышц // Теория и практика физической культуры – 1993. – № 1. – с. 1-3.
  13. Козлов, И., Муравьев В. Мышцы и спринт // Легкая атлетика. – 1992. – № 5.– с. 8-11.
  14. Доронин, А.М. Физические упражнения как результат активности мышц в качестве двигателя и анализатора // – Вестник Адыгейского государственного университета. – 2005. – № 1. – с. 20-32.
  15. Ципин, Л.Л. Применение фазового пространства для анализа мышечной активности при беге // Российский журнал биомеханики. – 2015. – Т. 19, №4 (61). – с. 421-429.
  16. Воронов, А.В., Доценко, В.И., Титаренко К.Е., Титаренко, Н.Ю., Кузнецов, Д.А. Лебедев, Ю.А. Методические аспекты анализа локомоций с использованием аппаратно-программного комплекса «Видеоанализ движений». [Электронный ресурс]. Режим доступа: – http://www.ordas.ru/articles/metodicheskie-aspekty-analiza-lokomociy-s-ispolzovaniem-apparatno-programmnogo-kompleksa (дата обращения: 31.09.2019).
  17. Воронов, А.В., Лемешева Ю.С. Применение трехмерной методики регистрации локомоций в видах спорта с большой длиной шага (на примере бега на коньках) // Вестник спортивной науки. – 2012. – №2. – с. 30-38.

 

A.V. Samsonova, L.L. Tsipin, I.E. Barnikova

PERSPECTIVE OF APPLYING A PHASE SPACE IN THE INFORMATION SUPPORT TO THE ANALYSIS OF SPORTS MOVEMENTS

Keywords: information support of sports movements analysis, phase space, phase trajectories, sports movements, exercise efficiency.

 

The phase space method is successfully used in the information support of research related to the study of motion control mechanisms and assessment of human health. Phase trajectories where the axes are the current muscle length and the speed of muscle length change tend to be the most informative when applied to sports. By using them, the effectiveness of exercises used in sprint, hurdling, pedalling, middle distance running, volleyball, athleticism training routines were evaluated. The most perspective areas of applying the phase space in relation to sport motion analysis are the study of the muscle activation mechanisms and comparison of the primary and secondary exercises in a training routine.