Оценивание асимметричности рывка штанги с применением скоростной съемки и математического моделирования

Введение. Вопросы, связанные с асимметричностью движения снаряда при выполнении рывка штанги, давно привлекают внимание исследователей и практиков в области тяжелой атлетики. Развитие средств цифровой видеофиксации в последние годы позволило оценивать асимметрию движения не только визуально, но и в количественном выражении. В качестве показателей, определяющих несимметричность движения снаряда, исследователи используют различные переменные. В работе [6] на основе видеосъемки измеряли углы в голеностопном, коленном и тазобедренном суставах для правой и левой ноги, рассчитывались скорость и перемещение концов грифа на протяжении выполнения рывка штанги в сед.

В исследованиях [1, 8, 9] также использовались углы в плечевом, локтевом и запястном суставах и данные от двух тензометрических платформ для левой и правой ноги спортсмена.

Методике регистрации движения ОЦМ штанги и ее вращения в горизонтальной и фронтальной плоскостях посвящена работа [4]. С применением этой методики было выполнено исследование асимметрии скоростносиловых возможностей мышц коленных суставов [2].

Методика нахождения кинематических и динамических характеристик движения пакета блинов штанги с использованием OpenCV Template Matching algorithm описана в работе [11]. Нахождение силы, прикладываемой спортсменом к штанге, с использованием этой технологии описано в [10]. Применение этой технологии позволяет исследовать силы, приложенные к каждому пакету блинов. Также для сравнения движения разных концов грифа штанги применяется система V-scope. Сравне- нию движения правого и левого конца грифа с использованием V-scope посвящена статья [5].

В нашем исследовании мы попытались устранить факторы, понижающие точность и информативность параметров, необходимых для оценивания асимметричности движения снаряда при выполнении рывка. Был определен необходимый набор параметров, позволяющий оценивать наклоны и повороты грифа штанги во время движения и проводить анализ причин наличия асимметрии в различных фазах подъема штанги. К этим параметрам мы отнесли вертикальные и горизонтальные перемещения, скорости и ускорения каждого конца грифа, горизонтальные и вертикальные силы, прикладываемые спортсменом к снаряду, а также моменты времени, задающие границы фаз выполнения упражнения. Для получения достаточной точности вычисления перечисленных пространственно-временных, кинематических и динамических характеристик использовались видеоматериалы, полученные с помощью съемки движения высокоскоростными камерами. Как показывает сравнение полученных с их помощью характеристик с аналогичными, измеренными с помощью контактных датчиков ускорения [12], результаты, полученные высокоскоростными камерами, имеют достаточную валидность. Для сглаживания оцифрованных данных применялись цифровые фильтры, построенные на основе подхода, предложенного в [13]. В НИИТ было разработано программное обеспечение, позволяющее рассчитывать скорости и ускорения (Свидетельство о государственной регистрации № 2017613826). Как показали исследования, проводимые в НИИТ МГАФК [3, 7], для расчета сил, прикладываемых спортсменом к снаряду, требуется применение специальных математических моделей. Особенно- стью предлагаемого подхода является отсутствие использования контактных способов нахождения собираемых показателей, что позволяет проводить сбор данных на соревнованиях, а также получать все исследуемые параметры одновременно.

Материалы и методы. Проводилась синхронная скоростная съемка рывка штанги четырьмя камерами. Размещение камер представлено на рис. 1. Камерами 1 и 2 снимались торцы грифа. Оптические оси объективов этих камер параллельны продольной оси грифа. Оптическая ось камеры 4 направлена под углом 45 градусов к продольной оси грифа со стороны лица спортсмена. Камера 3 снимала спортсмена в фас с расстояния 10 м.

Упражнение рывок штанги выполнялось спортсменами квалификации мастер спорта, тренер С.А. Сырцов. Вес штанги выбирался так, чтобы он составлял 95 % от лучшего результата спортсмена. Скорость съемки – 250 к/с. Начало съемки – отрыв штанги от помоста, конец – фиксация снаряда в седе.

Для видеофрагментов с камер 1, 2 и 4 были отмаркированы ближние к камере концы грифа штанги. В качестве масштабирующего объекта использовался диаметр блина, измеренный по вертикали. Для видеофрагментов с камеры 3, кроме концов грифа, были отмар-кированы точки на ближних к руке краях бобышек. Масштабирование выполнялось по длине грифа. Координаты, скорости и ускорения отмаркированных точек были рассчитаны с помощью программного обеспечения, описанного в [7]. Каждому кадру видеоряда был поставлен в соответствие набор рассчитанных параметров движения всех отмаркированных точек. Вертикальные и горизонтальные составляющие сил, прикладываемых спортсменом к правому и левому пакетам блинов, были рассчитаны с использованием алгоритмов, описанных в [3, 7].

Результаты. Рассмотрим выполнение рывка штанги весом 130 кг спортсменом Н-ко. Различия вертикальных координат и скоростей двух концов грифа невелики. Так, максимальная высота подъема правого и левого концов отличается меньше, чем на 0,5 см. Максимальные скорости отличаются менее, чем на 0,02 м/с. Разность высот концов грифа можно наблюдать только в начале движения после отрыва штанги от помоста и при фиксации в седе (рис. 2, 3).

Для оценивания поворотов грифа в вертикальной плоскости был построен график разности вертикальных координат грифа (рис. 4). До отрыва снаряда от помоста разность координат близка к нулю. Сразу после отрыва штанги от помоста (точка 1 на рис. 4) разность между правым и левым концом грифа начинает расти по модулю и достигает значения –0,02 м к моменту начала взаимодействия грифа штанги с бедрами (точка 2 на рис. 4). Отрицательная величина разности соответствует повороту грифа против часовой стрелки. После взаимодействия грифа с бедрами («отбива») направление поворота меняется на противоположное. Оно сохраняется до фиксации штанги в седе (точка 3 на рис. 4). К моменту фиксации разность вертикальных координат грифа составляет 2,6 см.

Изменение направления поворота в вертикальной плоскости обусловлено изменением сил, приложенных спортсменом к штанге. Рассмотрим графики на рис. 5.

После отрыва штанги от помоста (точка 1 на рис. 5) пик силы, приложенной к левому пакету блинов, составляет 950 N (t = 0,284 c), пик силы на правом пакете – 880 N (t = 0,324 c). Разность этих сил приводит к повороту штанги. Во время «отбива» (рис. 6) пик силы, приложенной к левому пакету блинов, составляет 825 N (t = 0,972 c), пик силы на правом пакете – 875 N (t = 0,944 c) (точка 2 на рис. 5).

Рис. 1. Размещение камер Fig. 1. Camera placement

Рис. 2. Н-ко. Поза спортсмена в момент отрыва штанги от помоста Fig. 2. Athlete’s position during the lift off

Рис. 3. Н-ко. Поза спортсмена в момент фиксации в седе Fig. 3. Athlete’s position during the catch phase

Рис. 4. Н-ко. Разность вертикальных координат правого и левого концов грифа

Fig. 4. Difference between the vertical coordinates of the right and left ends of the barbell

Рис. 5. Н-ко. Вертикальные силы, приложенные к центрам правого и левого пакетов блинов Fig. 5. Vertical forces applied to the centers of the right and left sets of weight plates

Рис. 6. Н-ко. Поза спортсмена при «отбиве» штанги Fig. 6. Athlete’s position during the barbell descent

Рис. 7. Н-ко. Разность горизонтальных координат правого и левого концов грифа

Fig. 7. Difference between the horizontal coordinates of the right and left ends of the barbell

Рис. 8. Л-на. Графики зависимости вертикальных координат концов грифа от времени Fig. 8. Relationship between vertical coordinates and time

В горизонтальной плоскости поворот грифа штанги также начинается в момент отрыва штанги от помоста (см. рис. 2). Этот поворот продолжается до фиксации штанги в седе. Как видно из графика разности горизонтальных координат концов грифа (рис. 7), величина разности координат достигает значения 0,24 м в седе.

Рассмотрим выполнение рывка штанги весом 60 кг спортсменкой Л-ой. По найденным вертикальным координатам правого и левого концов грифа (рис. 8) находим разность максимальных высот их подъема от положения на помосте. Высота подъема правого конца – 1,06 м, левого – 1,11 м. Разность высот подъема концов – менее 0,05 м. Максимальная разность между вертикальными координатами концов грифа достигается при фиксации штанги – 0,06 м.

Сравнение графиков вертикальных координат концов грифа (см. рис. 8) показывает, что они одинаковы до момента времени 0,62 с от отрыва штанги от помоста. До этого момента разница составляла менее 0,006 м. Затем начинается поворот грифа в вертикальной плоскости. Момент начала поворота приходится на начало фазы амортизации (рис. 9). Причиной начала поворота в вертикальной

Рис. 9. Л-на. Поза спортсменки в начале фазы амортизации Fig. 9. Athlete’s position during the first pull phase

Рис. 10. Л-на. Вертикальные силы, приложенные к правому и левому пакетам блинов Fig. 10. Vertical forces applied to the right and left sets of weight plates

Рис. 11. Л-на. Поза фиксации в седе

Fig. 11. Athlete’s position during the catch phase

плоскости является изменение соотношения между силами, приложенными к левому и правому пакетам блинов. Локальные максимумы этих сил перед началом фазы амортизации для правого и левого пакетов блинов (рис. 10) составляют 371 N и 438 N соответственно.

Поворот грифа штанги против часовой стрелки продолжается до фиксации. Наклон штанги в сторону правой руки спортсменки хорошо заметен на съемке в фас в позе, соответствующей фиксации (рис. 11).

Момент возникновения различий горизонтальных координат правого и левого концов грифа представлен на графике зависимо- сти разности горизонтальных координат от времени (рис. 12).

Нулевая точка горизонтальной оси координат концов грифа – начало съемки. Штанга находится на помосте. Как видно из рис. 12, разность горизонтальных координат до момента времени t = 0,98 c не превышает значения 0,01 м, а затем начинает возрастать до значения 0,12 м, что соответствует повороту грифа в горизонтальной плоскости на 3,12 градуса. Момент времени начала поворота в горизонтальной плоскости происходит во время выполнения «отбива» штанги (рис. 13).

В этот момент возникают максимальные значения горизонтальных составляющих сил,

Рис. 12. Л-на. Разность горизонтальных координат правого и левого концов грифа

Fig. 12. Difference between the horizontal coordinates of the right and left ends of the barbell

Рис. 13. Л-на. Поза спортсменки при взаимодействии штанги с бедрами («отбива») Fig. 13. Athlete’s position during the barbell descent

Рис. 14. Л-на. Горизонтальная сила, приложенная спортсменкой к штанге (правый и левый конец) Fig.14. Horizontal force applied to the barbell (right and left ends)

приложенных к пакетам блинов (графики на рис. 14).

Для левого пакета блинов максимальное значение – 654 N, а для правого – 780 N. Время взаимодействия бедер спортсменки со штангой – 0,076 с. За это время перемещение правого конца грифа составило 0,036 м, левого – 0,029 м. «Отбив» штанги бедрами производится несимметрично, что и влечет последующий поворот в горизонтальной плоскости.

Заключение. В настоящей и других работах, выполненных нами, проанализированы десятки подходов, в которых выполнялись тяжелоатлетические упражнения. Почти во всех подходах наблюдалась значительная асимметричность движения снаряда. Нами были рассчитаны величины поворотов, найдены моменты начала поворотов, проведен анализ причин их возникновения.

К наиболее распространенным моментам возникновения поворотов или изменения их направления во время выполнения рывка следует отнести: отрыв штанги от помоста, начало фазы амортизации, «отбив» штанги бедрами, фиксацию штанги в седе. Во всех этих случаях наблюдаются различия в величинах сил, приложенных к пакетам блинов.

Вращение штанги, особенно в горизонтальной плоскости, осложняет выполнение подъема штанги, поскольку вынуждает спорт- смена создавать дополнительный компенсирующий момент сил, что может привести к неудачному подъему или получению спортсменом травмы.

Для выявления причин возникновения асимметрии и разработки методики минимизации асимметрии мы планируем продолжить исследования.