Система измерительной аппаратуры в спорте включает в себя датчики информации, линию связи и регистрирующее устройство, а также может входить вычислительное устройство (для автоматической обработки информации).
Датчиком называется элемент измерительной системы, который непосредственно воспринимает изменения измеряемого показателя. От датчиков информация по линии связи поступает на регистрирующее или вычислительное устройство. Практически все элементы измерительной системы определяют качество регистрации изучаемых параметров.
В зависимости от поступающих сигналов все датчики делятся на - датчики биоэлектрических процессов и датчики биомеханических характеристик.
Инструментальные методы контроля за состоянием спортсменов составляют две группы:
- оптические и оптико-электрические методы (где информация передается на регистрирующее устройство лучами света или тепла);
- механоэлектрические методы (где информация передается электрическими сигналами по проводной линии связи или по радио).
Оптические и оптикоэлектронные методы предназначены для дистанционного и бесконтактного контроля за спортсменом. Оптические методы основаны на фотографии (фотосъемка и киносъемка). Результаты фото- и киносъемки предназначены для визуального изучения движений или для определения кинематических характеристик. Различают несколько видов фото-киносъемки: кинограмма, стробофотограмма, циклограмма, стереосъемка и другие.
Кинограммой называют отпечатанный на фотобумаге отрезок киноленты.
Стробофотограммой движения принято называть совмещенное изображение нескольких поз движущегося объекта.
Циклограммой называется совокупность прерывистых линий, воспроизводящих траектории звеньев движущегося тела (благодаря креплению маркеров на биозвенья тела или суставы).
Стереосъемка ведется двумя (может быть и более) синхронно действующими съемочными аппаратами и позволяет регистрировать движения спортсмена в трехмерном пространстве.
Оптикоэлектронные методы регистрации движений основаны на преобразовании изображения в электрический сигнал. Они делятся нателевизионные и фотоэлектронные методы.
Механоэлектрические методы сбора информации о спортсмене предназначены для регистрации биоэлектрических процессов и для измерения важнейших биомеханических характеристик.
Датчики биоэлектрических процессов позволяют регистрировать биоэлектические явления в организме: электрокардиограмма - ЭКГ, электроэнцефалограмма - ЭЭГ, электромиограмма – ЭМГ, клеточные потенциалы и др.
Датчики биомеханических характеристик – динамические (сила, момент силы) и кинематические (положение, скорость, ускорение) показатели.
Таблица 5 – Методы измерения биомеханических характеристик спортивной техники
| Измеряемая переменная | Физические явления, лежащие в основе метода измерения | ||||
| Тензоэффект | Пьезоэффект | Электромагнитная индукция | Закон Ома | Эффект Допплера | |
| Сила | + | + | - | - | - |
| Ускорение | + | + | - | - | - |
| Скорость | - | - | - | - | + |
| Перемещение линейное | - | - | + | - | - |
| Перемещение угловое | + | - | - | + | - |
Телеметрические системы служат для передачи информации от датчика на регистрирующее устройство. Известно много разновидностей телеметрических систем, которые отличаются друг от друга, прежде всего физической природой переносчика информации. Например, в проводной телеметрии эту роль выполняет поток электронов, в радиотелеметрии – радиоволны, в гидротелеметрии – ультрозвуковые колебания, распространяющиеся в воде. Основное достоинство проводной телеметрии заключается в ее простоте и высокой помехоустойчивости; недостатком – ограничение подвижности спортсмена при проведении измерений. Радио- и гидротелеметрия также имеют свои достоинства и недостатки.
Регистрация результатов измерений осуществляется с помощью индикации и регистрации.
Индикация может осуществляться зрительно (по стрелочному, цифровому, осциллографическому индикатору) или на слух (когда результат измерения преобразуется в звук определенной громкости и тона).
Регистрация чаще всего осуществляется аналоговым способом, для этого используют самописцы, с перьевой, струйной или тепловой записью. Особыми разрешающими способностями, в отличие от перечисленных, обладают самописцы с фотозаписью.
Выбор того или иного метода регистрации определяется задачами исследования и требуемой точностью измерения временных, амплитудно-частотных составляющих и т.п.
Электронно-вычислительная машина (ЭВМ) – устройство для автоматической обработки информации по заданной программе. Основные назначения ЭВМ – управляющие, моделирующие, информационные, контролирующие, расчётные. По принципу действия ЭВМ делятся на цифровые (ЦВМ) и аналоговые (АВМ). В обоих случаях машина оперирует с числами, преобразованными в электрические сигналы.
В АВМ каждой цифре соответствует определённая величина электрического напряжения, а цифровая машина оперирует с самими цифрами, записанными в десятичном или двоичном коде. На базе современных ЭВМ создано множество систем, применяемых в спорте.
Среди них автоматизированная система управления (АСУ), которая в отличие от информационно-поисковой системы не только хранит и выдаёт информацию по запросу, но также систематизирует её и даже принимает решения.
Постоянно растёт роль электронно-вычислительной техники в организации спортивных соревнований. ЭВМ используется для:автоматической обработки информации о результатах соревнований;составления итоговых таблиц; автоматического сбора и поиска информации о результатах и участниках соревнований; информационного обеспечения; справочного обслуживания; для контроля за ходом подготовки соревнований; учёта доходов от финансовых операций; распределения билетов; аккредитации участников и журналистов и многих других задач.
Технические средства, позволяющие в искусственно созданных условиях имитировать тренировочную и соревновательную деятельность, называются тренажёрами.
Различают тренажёры для совершенствования физической, технической, тактической, психологической и теоретической подготовленности. По структуре тренажёры подразделяются на тренажёры без обратной связи и с обратной связью.
Примером тренажёра без обратной связи может быть «гимнастическая стенка», т. к. при работе на ней спортсмен лишён возможности получать информацию о качестве выполняемого им технического действия или физиологической стоимости нагрузки.
Тренажёры с обратной связью обеспечивают автоматическое измерение показателей спортсмена и сравнение их с программными (заданными) значениями. Они более совершенны, поскольку доставляют информацию о том, насколько хорошо спортсмен выполнил упражнение и в чём состоят допущенные ошибки.
В зависимости от быстроты получения информации тренажёры могут быть без срочной и со срочной информацией о качестве выполнения упражнения.
Тренажёры со срочной информацией указывают спортсмену на его ошибки непосредственно в процессе выполнения упражнения (например зеркало, автокардиолидер, велоэргометр и др.).
К числу тренажёров с обратной связью, но без срочной информации, относится, например, видеомагнитофон, позволяющий спортсмену «посмотреть на себя со стороны» уже после окончания выполнения упражнения или после тренировочного занятия и только тогда внести коррекции в структуру своего движения.
В тех случаях, когда управление осуществляется по одному из параметров деятельности спортсмена, говорят об одноконтурном тренажёре.
Многоконтурные тренажёры сложнее, с их помощью удаётся более точно и целенаправленно дозировать тренировочные нагрузки и индивидуально находить оптимальные варианты техники и тактики движений. К числу таких тренажёров относится, например, гребной тренажёр («лодка-лаборатория»), когда спортсмен может получать срочную информацию о скорости передвижения, развиваемом усилии гребка, физиологической стоимости выполняемой работы; всё это вычисляется автоматически. При обучении на многоконтурном тренажёре спортсмен вначале учится соотносить свои действия с заданной программой, а затем пробует разные варианты техники движений.
Развитие науки и техники позволяет обеспечить эффективный инструментальный контроль за тренировочными нагрузками, моделировать соревновательную деятельность в лабораторных условиях, осуществлять отбор и прогноз в спорте, целенаправленно управлять тренировочным процессом. Для этого в современном спорте используется большое множество автоматизированных средств, среди которых наибольшее практическое применение получили системы дозирования физических нагрузок по величине функционального напряжения организма и мощности преодолеваемого внешнего сопротивления. Принципы работы и функциональные возможности этих систем можно рассмотреть на примере известных устройств: пульсотахометр, сумматор пульса, автокардиолидер, монитор сердечного ритма системы RS800CX Pro Training Edition и Polar разной модификации, велоэргометры и тредбаны, силовые станции.
Пульсотахометр. Устройство, позволяющее в реальном времени определять частоту сердечных сокращений (ЧСС) в покое и при мышечной нагрузке с интервалом 4-6 с. В основном применяется при лабораторных исследованиях. Служит надёжным индикатором напряжённости физиологических функций, косвенно может характеризовать величину энерготрат, поскольку ЧСС имеет близко к линейной зависимость от активации вегетативных процессов регуляции функций и потребления организмом кислорода. Это устройство может быть автономным или входить в состав современных дозаторов мышечной нагрузки (велотренажёры, эргометры разного назначения, беговые дорожки, гидротредмиллы и др.).
Сумматор пульса. Предназначен для определения суммарного значения ЧСС за период времени. Автономный вариант с цифровой памятью данного устройства успешно применяется в спорте, клинической практике, физической реабилитации, оздоровительной физической культуре. Поскольку интервал времени автоматического подсчёта ЧСС и его регистрация в запоминающем устройстве может задаваться произвольно и быть относительно длительной (до 3-х и более суток), то это даёт возможность считывать цифровую информацию на компьютере, обрабатывать её и анализировать на любом заданном отрезке времени. По величине суммы пульса судят о состоянии функционального напряжения организма за интервал времени.
Автокардиолидер. Уникальная по своей идее система была разработана и реализована в своё время отечественным учёным В. Л. Уткиным в виде автономного устройства. Принцип работы автокардиолидера заключается в контроле за поддержанием ЧСС у индивида в заданном диапазоне ритма. В случае если ЧСС выходит за пределы произвольно установленного диапазона, индивиду (спортсмену) подаётся соответствующий звуковой сигнал (через наушник), что является командой к увеличению или к уменьшению интенсивности мышечной работы. Диапазон программируемого ритма сердца определяется индивидуально для каждого спортсмена, в зависимости от решаемой двигательной задачи на основании соответствия ЧСС процентной величине потребления кислорода от его максимального значения (МПК).
Монитор сердечного ритма RS800CX Pro Training Edition и Polar. Подобные системы имеют разные модификации функциональные возможности применения. Постоянное совершенствование электронной и вычислительной техники приводит к появлению новых и более совершенных образцов средств функционального контроля и управления мышечными нагрузками. Поэтому есть смысл остановиться лишь на возможностях уже имеющихся технических средств.
Система второго поколения Polar Temp 2, использованная в своё время для on-line трансляции мировых велогонок Tour De France и зимних Олимпийских игр в Ванкувере, с успехом применяется известными мировыми футбольными клубами Real Madrid и Manchester United при осуществлении контроля за тренировочной деятельностью команды. Она обладает возможностью записи и контроля параметров тренировки в режиме реального времени для 28 спортсменов одновременно. Перед занятием тренер записывает информацию о будущей тренировке каждому спортсмену в его личный передатчик с помощью беспроводной связи. Передача такой информации возможна одновременно на 10 передатчиков. Во время тренировки, где бы не находился игрок, тренер видит на экране своего карманного компьютера или ноутбука on-line детальную картину каждого спортсмена в виде значений его ЧСС, % от максимума, нахождении его в пределах установленных тренировочных зон (по ЧСС) или даже в виде показателя тренировочной нагрузки «Training load». Это позволяет тренеру осуществлять постоянный контроль нагрузки каждого спортсмена, сравнивать её с данными и графиками предыдущих тренировок прямо во время занятия и при необходимости тут же вносить коррекции. Всё это дает возможность оптимизировать тренировочный процесс, а встроенная функция опреде-ления индивидуального времени восстановления после нагрузки поможет избежать травм и перенапряжений организма.
Технические возможности такой системы позволяют передавать по беспроводной связи Bluetooth информацию на базовую станцию в радиусе 100 м (при применении нескольких базовых станций – до 300 м), а со станции опять же по беспроводной связи – на экран к тренеру. В случае если игрок выйдет из радиуса действия, данные будут сохранены благодаря внутренней памяти пере-датчика и функции буферизации данных в режиме on-line. Наличие в передатчике заряжаемых батарей обеспечивает работу системы в течение 30 часов в режиме on-line и 400 часов – в режиме off-line.
Кодированную информацию с датчиков спортсменов может увидеть не только тренер, но и сам спортсмен при наличии у него монитора. Идущее в комплекте программное обеспечение позволяет тренеру получать отчёты с наглядными графиками и таблицами, что представляется важным для более детального анализа результатов тренировочных занятий. Современные базовые станции позволяют наблюдать за 84 игроками, 28 из них одновременно. Широкое практическое применение получили автономные системы Polar (напоминающие наручные цифровые часы), дополнительно снабжённые датчиками: ЧСС, скорости, расстояния, частоты шагов или велосипедными датчиками расстояния, скорости, частоты педалирования, температуры среды и высоты над уровнем моря, а также часами, осуществляющими подсчёт калорий, затраченных во время тренировки. Регистрируемые параметры могут сохраняться в памяти системы (объём до 32 часов, при ежесекундной записи показаний ЧСС) и передаваться через инфракрасный порт USB на компьютер.
Функциональные возможности системы позволяют получать информацию о напряжённости выполняемой работы – средние и суммарные значения ЧСС на отрезках времени, % ЧСС от максимального, количество затраченной энергии, другие расчётные показатели; о кинематических характеристиках движения спортсмена – пройденный путь, время, профиль трассы, мгновенная и средняя скорость на дистанции, частота и длина шагов (частота педалирования); а также напоминания (визуальные или звуковые) спортсмену о соответствии выполняемого задания программе данного тренировочного занятия.
Велоэргометры и тредбаны (беговые дорожки) – самые распространённые средства дозирования физических нагрузок в лабораторных условиях. Велоэргометры и тредбаны бывают двух типов: механические и электрические.
Современные образцы этой техники снабжены миникомпьютером и датчиком измерения ЧСС. Регулирование нагрузки на велоэргометре может осуществляться по заданному внешнему сопротивлению, частоте педалирования (об./мин.) и времени, а на тредбане – по скорости бега, углу наклона дорожки и времени бега. При наличии миникомпьютера и встроенных программ нагрузка может задаваться автоматически или программироваться пользователем произвольно. Например, тредбан может содержать до 10 и более программ, в том числе: пульсозависимые программы, целевые (время, дистанция, калории), пользовательская программа, функция «Быстрый старт», фитнес-тест и др.
Современные системы контроля позволяют получать срочную информацию о времени тренинга, пройденной дистанции совершаемой работе в Вт или кгм), скорости (частоте педалирования в мин.), средней и суммарной ЧСС, расходе калорий, профиле величины нагрузки и др.
Данные технические средства имеют широкий спектр применения в спортивной практике, оздоровительной физической культуре, диагностике и физической реабилитации. Регулирование физической нагрузки по мощности работы или ЧСС позволяет проводить стандартные функциональные пробы с целью оценки физиологических и биохимических показателей организма спортсмена, диагностики напряжения функциональных систем (дыхания, кровообращения и др.). Задавая требуемую величину внешней нагрузки, можно решать задачи тренирующего, оздоровительного или реабилитационного характера с учётом возраста, пола, состояния и качества здоровья.
Исключительно для спортивной практики особое значение имеют максимальные функциональные пробы с использованием ступенчато или плавно нарастающей нагрузки до отказа, которую можно задавать на велоэргометре или тредбане, при обязательном обеспечении страховки спортсмена, особенно на последних ступенях нагрузки. Такие пробы, с регистрацией физиологических и биохимических параметров, позволяют получать информацию о резервных возможностях разных функциональных систем (дыхания, кровообращения, вегетативной регуляции и др.) в виде максимальных величин объёма выполненной работы, лёгочной вентиляции, ЧСС, минутного объёма кровообращения, потребления кислорода, кислородного долга, лактата, преобладания парасимпатической активности ВНС и т. п. Эти сведения, получаемые в период этапного контроля, учитываются тренером при планировании тренировочных нагрузок на перспективу.
Силовые станции предназначены для дозированного выполнения силовых упражнений. Силовые станции (серий ХОУМ, ПРО, Премиум ПРО и др.) внешне напоминают тренажёры. Функциональные возможности силовых станций определяются конструктивным решением и дополнительным электронным оснащением.
Наиболее типичные модели укомплектованы достаточным количеством навесных снарядов, которые устанавливаются на специальную встроенную стойку. Комплект навесных снарядов (грузов разного веса) обеспечивает уменьшение шага регулировки и тем самым более точное дозирование усилием.
Кроме этого, регулирование усилием может осуществляться благодаря изменению плеча приложения силы, так как ручки на рычагах установлены с использованием барашковых гаек, обеспечивая тем самым лёгкое изменение установки на узкий или широкий хват.
В зависимости от модификации силовой станции количество показанных базовых упражнений составляет от 16 и больше, что определяет разнообразие локального воздействия на группы мышц. Для дозирования и количественной оценки упражнения или упражнений можно использовать специально встроенные счетчики. Это позволяет контролировать сумму выполненных упражнений каждого вида, например, в занятии или за неделю. Дополнительно вводимые в занятие упражнения оцениваются с использованием свободных счётчиков, которые также можно использовать при работе на силовой станции нескольких занимающихся.