↑ Вгору

Реферат на тему

Фізико-механічні характеристики спортивного взуття і штучного покриття, які визначають ударні навантаження на організм спортсмена


читати

Переглянути реферат

зберегти

Скачати реферат

друкувати

Друкувати реферат

Реферат на тему:

Фізико-механічні характеристики спортивного взуття і штучного покриття,
які визначають ударні навантаження на організм спортсмена

Вивчення ударних навантажень, які діють на склепінчастий аппарат стопи
(САС) спортсмена при виконанні спортивних вправ нерозривно пов’язане з
дослідженнями особливостей спортивного взуття (СВ) і штучного покриття
(ШП), яке використовується для спортивних залів і бігових доріжок.
Зрозуміло, що виникає гостра необхідність в обговоренні методів, які
використовуються для оцінки їх ударнопоглинаючих властивостей, а також
дані про травматизм в деяких видах спорту у взаємозв’язку з цими
властивостями.

При взаємодії спортсмена з опорою ударне навантаження на САС
визначається значеннями результуючого вектора і моментами сил реакції
опори [27, 45].

Ударні сили (УС), які досягають своїх максимальних значень за перші 50
мс контакту, визначаються силою реакції опори і характеризуються високим
рівнем значень. Термін «ударні сили» був запропонований у роботі
E.Frederick [27]. Для позначення цих сил вживають також такі назви як
початкові [12], пасивні [51], або високочастотні [45].

Сили реакції опори, які виникають після 50 мс контакту з опорною
поверхнею, називаються активними [56], але їх абсолютні значення значно
нижчі від початкової УС. Інші назви цих сил: наведені [23] або
низькочастотні [45].

Результати багаточисленних досліджень показують, що пікові значення УС
можуть мати достатньо високий рівень і бути однією із причин, які
сприяють травматизації нижніх кінцівок спортсменів [4, 12, 28, 34, 35,
52, 55, 83].

Стандартна деформація визначається як максимальна поверхнева деформація
зразка матеріалу підошви СВ або зразка ШП при стандартному навантаженні.
Звичайно розглядають вертикальну і горизонтальну складові кривої
стандартної деформації. Для визначення поверхневої деформації в
стандартах фірми “Addidas” передбачений динамічний тест із вантаженням
масою 150 кг.

Для оцінки опору матеріалу визначають твердість матеріалу (за Шором),
яка вимірюється за ступенем проникнення (d) в матеріал підошви еталонної
гирі заданої форми з визначеною силою. Вся шкала твердості ранжується за
формою еталону (усічений конус— Шор А, сфера—Шор Д), а кількісно
виражається від 0 до 100 одиниць в порядку зростання твердості матеріалу
[49].

Жорсткість матеріалу визначається відношенням прикладеної до матеріалу
сили до величини його деформації. Виявлено [43], що при великих ударних
навантаженнях миттєва жорсткість деяких матеріалів, які використовуються
для виготовлення підошви СВ може бути більшою за 40х105 н/м, збігаючись
за даним параметром з жорсткістю асфальту. У роботах [5.9] показано, що
миттєва жорсткість таких матеріалів при значних ударних навантаженнях
може більше, ніж в 10 разів перевищувати значення цього ж параметра при
малих навантаженнях.

Рикошетна пружність (РП) визначається як частка співвідношення сумарної
механічної енергії тіла після відскакування від поверхні матеріалу (Ев)
до початкової механічної енергії тіла перед ударом Еп

тіла перед ударом Еп

х100%

РП не має взаємозв'язку з твердістю і жорсткістю матеріалів СВ/ШП.

Ослаблення сили. Ослаблення сили є відсоткове відношення різниці сил на
поверхні зразка дослідного матеріалу (Fдм) до сили на поверхні
еталонного матеріалу (Fем) і визначається за формулою:

х100%

Ця характеристика визначається для вантажів різної форми в залежності
від їх маси, твердості матеріалів і висоти їх падіння.

Результати досліджень, проведених в різноманітних видах спорту [4, 12,
28, 43, 51, 52, 54, 55, 56, 61] показують, що однією із основних причин
травматизму м’язово-сухожильних структур колінного і гомілковостопного
суглобів є такі характеристики ударної взаємодії стопи спортсмена з
опорою:

- максимальне значення УС (F1);

- час досягнення максимального значення F1(tF1);

- градіент або швидкість наростання F1-G1, яка дорівнює відношенню
F1/tF1.

Для зменшення можливості виникнення такого типу травм, CВ і ШП, які
використовуються в цих видах спорту, повинні бути розроблені із
врахуванням необхідності зменшення значень F1 і G1 та збільшення tF1. Як
відомо [1], ступінь біологічного впливу ударного імпульсу залежить не
тільки від максимального значення УС, але і від часу його досягнення:
чим крутіший фронт наростання ударного імпульсу, тим більш негативно він
впливає на організм [1]. Коли час дії ударного імпульсу менше латентного
часу рефлекторних реакцій (порядку 20 мс) [1], тоді головну роль
відіграють чисто фізичні процеси, викликані механічними властивостями
опорно-рухового апарату. В міру збільшення тривалості ударного імпульсу
відбувається усе більше залучення рефлекторних механізмів захисту
організму.

Аналіз методів, які використовуються для оцінки ударнопоглинаючих
властивостей СВ/ШП показує, що їх можна розділити на дві групи: фізичні
або матеріальні тести і суб'єктивні тести.

Матеріальні тести описують механічні властивості СВ/ШП, намагаючись
описати модель біологічної реакції на вплив, який створює фізичне тіло.
Суб'єктивні тести використовуються для з'ясування питання про те, як
змінюються біомеханічні властивості системи «САС - СВ» або «САС - СВ
-ШП» в різних умовах досліду.

Серед багаточисленних механіко-динамічних тестів найбільшої поширеності
набув так званий “дроп-тест” [51]. Методика тестування така: тест-об'єкт
заданої форми (сфера [51] або циліндр [68]) падає з визначеної висоти на
зразок СВ/ШП. На тест-об'єкті встановлений датчик прискорення. Контактна
сила може бути записана в такий спосіб:

(t)- вертикальне прискорення.

Використовуючи початкові умови х(0)=V0 і х(0)=0, деформація d як функція
часу може бути визначена шляхом подвійного інтегрування як d(t)=х(t).
Типові криві для прискорення, швидкості н переміщення тест-об'єкта були
отримані в роботі [23] (рис. 1).

,g z, м/с z,мм

10 0,5 5

0

10 t,мс 10 t,мс 10 t,мс

а) б) в)

Рис. 1. Типові криві прискорення (а), швидкості (б) і переміщення (в)
тест-об'єкта при проведенні дроп-теста (за Dеnоth, 1983)

(за Dеnоth, 1983)

Форма кривої швидкості показує, що тест-об'єкт при відскакуванні від
матеріалу має меншу швидкість, ніж на початку контакту, Отже, тест
об'єкт втрачає енергію під час контакту із зразком. Далі крива
деформації показує, що тест-об'єкт покидає досліджуваний зразок, коли
він ще деформований.

Вага тест-об'єкта може бути вибрана відповідно до поняття “ефективна
маса” [24]. По визначенню «ефективна маса» являє собою похідну від
ділення максимального значення вертикальної складової сили реакції опори
((ВСРО) визначається на динамометричній платформі) на максимальне
значення прискорення вздовж осі великогомілкової кістки (визначається
акселерометром). За даними [52], «ефективна маса» тіла людини при
ударних взаємодіях з опорою змінюється в межах від 3 до 13 кг. У роботі
[23] вказується, що «ефективну масу» можна порівняти з масою частини
тіла людини, яка загальмовується в момент удару.

У стандартному тест-методі оцінки ударнопоглинаючих властивостей ШП і
матеріалів США АSТМ F—355 [68] в якості тест-об'єкту використовується
алюмінієвий циліндр висотою 25,4 см, масою 9,07 кг, діаметром платформи
12,8 см. Висота падіння циліндра—0,6 м.

На верхній платформі жорстко закріплений датчик прискорення, що вимірює
прискорення вздовж вертикальної осі циліндра,

При проведенні дроп-тесту передбачається, що максимальне значення ВСРО і
деформація досліджуваного зразка СВ/ШП залежать від швидкості
приземлення тест-об'єкту, розмірів ділянки контакту і маси тест-об'єкта.
На рис. 2 показані максимальні значення ВСРО для трьох ШП і двох
тест-об'єктів.

Перший тест-об'єкт - ядро радіусом 5,25 см і масою 4 кг, другий - ядро
радіусом 6,2 см і масою 7,3 кг. Обидва ядра скидалися з однакової висоти
0,4 м (швидкість приземлення - 2,8 м/с). Товщина досліджуваних зразків
ШП була однаковою. З рис. 2 видно, що на підставі результатів, отриманих
із першим тест-об'єктом, кращим ШП, із погляду мінімального значення
максимуму ВСРО, є покриття С. За результатами другого тест-об'єкта -
покриття А. Данный приклад показує, що відбір тест-об'єкта необхідно
робити, виходячи з реальних значень ВСРО при виконанні спортивних вправ.

Відомо [12, 14], що при переміщенні стопи з «пятки на носок» динамограма
ВСРО має два піки (рис. 3). Виявлено (12, 14), що перший ударний пік
локалізований під підошвовою поверхнею п'яткової кістки, а , другий -
під подушечками пальців ноги. Ці дані пояснюють методику для оцінки
ударнопоглинаючих властивостей СВ, розроблену в Пенсільванському

Fmax, н



6000

М=7,3 кг

М=4,0 кг

4000

А В С покриття

Рис. 2. Значення максимальної сили реакції опори для різних покриттів і
тест-об'єктів при проведенні дроп-теста (по Nigg, Yеаdоп, 1987).

F,н

4000

3000

2000

1000

1000 0,1 0,2 0,3
t,c

Рис. 3. Типові динамограммы вертикальної складової сили реакції опори
при бігу “з п’ятки на носок» (по Nigg, Кеrr,. 1983).

.

університеті [10]. Основний елемент методики - пристрій, що скидає
важкий стрижень із висоти 5 см на пятку/носок підошви СВ. Стержень
обладнаний реєструючим пристроєм, який записує прискорення його руху.
Задача тесту полягає у визначенні ступеня зменшення ударного максимуму
при використанні конкретного виду СВ в одиницях g (g - прискорення
вільного падіння 9,81 м/с2) у порівнянні з еталонною поверхнею. За
даними [11, 13] для задньої частини підошви бігового СВ характерно
ослаблення в межах від 9 до 12g, для передньої - от 11 до 15g. Для СВ
видів спорту, які проводяться в залах, характерно збільшення ударного
максимуму при збільшенні твердості і зменшенні товщини підошви [6].

У роботі [27] був виявлений нелінійний взаємозв'язок товщини і твердості
підошви СВ із розміром ударного піка ВСРО. У більш м'яких матеріалах
(твердість 25 од Шор А) ударний пік збільшується експоненціально при
зменшенні товщини підошви від 3,0 до 1,0 см.

Іншою методикою, яку часто використовують для оцінки ударнопоглинаючих
властивостей СВ/ШП є так звані «Штучні атлети Берлін і Штутгард» [38].
Конструктивно методика являє собою вантаж визначеної маси, що падає із
заданої висоти на пружину і через його ударник давить на досліджуваний
зразок СВ/ШП. Реєструючі пристрої (датчики навантаження 0-2000 Н и
чутливістю до переміщення - ±10 мм) встановлюються над зразком. За
допомогою цих пристроїв можуть бути визначені сили реакції опори,
деформація і втрати механічної енергії в зразку.

Конструктивно «Штучні атлети Берлін і Штутгард» мають таку різницю:

1. Вага падаючого еталонного предмета: “Штутгард”-50 кг, “Берлін”- 20
кг.

2. Маса ударника (штучної стопи): “Штутгард” - 9 кг, “Берлан” - 1,8 кг.

3. Жорсткість пружини: “Штутгард” - 50 Кн/м, “Берлін” - 2000 Кн/м.

4. Діаметр ударника: “Штутгард” - 49,5 мм, “Берлин” - 70 мм,

5. Швидкість приземлення ударника: “Штутгард”- 0,7 м/с, “Берлін” - 1,0
м/с.

6. Час досягнення максимуму ВСРО після контакту: “Штутгард”- 150 мс.
“Берлін” - 10 мс.

Для вивчення ударнопоглинаючих властивостей СВ/ШП можуть бути
використані і динамометричні платформи. У цьому випадку досліджуваний
зразок встановлюється на поверхні платформи, потім проводиться дроп-тест
і одержують криву ВСРО.

Методика використання в ударних тестах маятника в якості задаючого
навантаження описане в [59]. На кінці маятника встановлюється штучна
стопа, що падає з заданої висоти в центр динамометричної платформи.
Оцінюється значення максимуму ВСРО і час його досягнення при зміні
енергії взаємодії з опорою.

Опосередковані тести використовуються для оцінки ударнопоглинаючих
властивостей СВ/ШП у реальних спортивних рухах. Розходження у
результатах опосередкованих і механічних тестів, на думку ряду авторів
[5, 10, 18, 19, 51, 52, 62, 67] обумовлене тим, що САС кінематично
пристосовується до твердості СВ/ШП. У підтримку цієї гіпотези говорить
отриманий в роботі [18] статистично достовірний взаємозв'язок швидкості
згинання колінного суглоба, яке відбуває миттєво після удару п'ятою, і

і
твердості матеріалу підошви СВ. Такий феномен може змінювати значення
сили реакції опори, «приховуючи» частину властивостей ударнопоглинаючого
випробуваного зразка. У роботі [36] опосредковано досліджувалася ця
адаптивна спроможність САС. Висновок даної роботи складався в тому, що
головною причиною варіабельності отриманих результатів є розходження у
функціональних впливах СВ із м'якою і твердою підошвою на САС.

Припущення про те, що опорно-руховий аппарат людини реагує на зміну
фізико-механічних властивостей СВ/ШП, тільки підкреслює необхідність
їхнього точного виміру. Тобто матеріальні тести необхідні для
«еталонного» співставлення ударнопоглинаючих властивостей СВ/ШП.

Які ж методики найбільш часто використовують при проведенні суб'єктивних
тестів?

Як правило, до них відносяться методики, що мають в своїй основі
динамометричні платформи [5, 10, 19, 28, 47, 54]. При цьому звичайно
вивчають такі ж самі характеристики, що і при проведенні матеріальних
тестів. Так як біг є складовим елементом багатьох спортивних вправ, то
він був предметом дослідження у великій кількості робіт по вивченню
ударнопоглинаючих властивостей СВ/ШП. Показано [5, 10, 18, 19, 52 та
ін.], що результати матеріальних і суб'єктивних тестів оцінки
властивостей СВ при бігу на динамометричних платформах дають значні
розбіжності. Так, у роботі [53] вказується, що максимальне значення піка
ВСРО має тенденцію до зменшення при зниженні твердості матеріалу підошви
СВ. У той же час у більш пізніх роботах цих же авторів [46, 54]
вказується, що варіація твердості підошви СВ мало впливає на розмір піка
ВСРО.

Іншою методикою, яку також часто використовують в суб'єктивних тестах, є
акселерометрія [15, 16, 18, 26, 54, 55, 64]. Проте показання
акселерометрів можуть мати велику похибку. Це обумовлено спобом
кріплення датчика, його резонансною частотою, масою і т.і. Звичайно
датчики прискорення кріпляться спеціальними ременями, хоча в роботах
[40, 42] описується кріплення акселерометрів до великогомілкової кістки
спортсменів спеціальними гвинтами.

У ранніх роботах [551 із використанням акселерометрії вивчалися гірські
лижі і гімнастика. Було встановлено, що при швидкості руху лижника до 25
м/с величина прискорення гальмування на великогомілковій кістці може
досягати 200 g. При бігу на різноманітних ШП цей же показник варіює від
5 до 17g. Пік прискорення гальмування до 7g був зареєстрований на голові
спортсмена при приземленні на тонкий гімнастичний мат після стрибка з
висоти 1,5 м [55]. Таке високе значення прискорення є винятковий факт,
тому що звичайні значення цього параметра від 1до 3 g [29].

Результати робіт [17,18] говорять про те, що прискорення гальмування на
дистальному кінці великогомілкової кістки зменшується майже лінійно із
зменшенням швидкості бігу і зменшенням довжини бігового кроку. На думку
дослідників, ці дані становлять інтерес у якості вихідних вимог для
розробки ударнопоглинаючого СВ/ШП для різних видів спорту до спортсменів
різноманітної кваліфікації. Проте в [18] не виявлено ніякого

не виявлено ніякого
взаємозв'язку між твердістю підошви СВ і піком прискорення гальмування
під час бігу.

Для усунення лімітуючих чинників при оцінці адаптації спортсменів до
підошви СВ різноманітної твердості була розроблена спеціальна методика
[64]. Суть її складається в тому, що один акселерометр встановлюється в
спеціальній порожнині підошви, не заважаючи бігуну в опорній фазі, інший
-на днстальному кінці великогомілкової кістки. Таким чином, дана
методика дозволяє співставити одночасно зареєстровані значення
прискорень на поверхні контакту і дистальному кінці гомілки спортсмена.

Необхідність ослаблення ударних навантажень на САС за рахунок
властивостей СВ/ШП базується на думці багатьох дослідників [5, 24, 31,
33, 45, 57, 60, 61], які вказували, що ударні навантаження можуть бути
однією з причин численних травм. У роботі [8] показана зміна силових
профілів бігунів, які використовували взуття з підошвами різноманітної
твердості при виконанні 15-мильного тренувального забігу. Менші зміни
зафіксовані у бігунів, яік користувалися СВ із м'якою підошвою.

По логіці, застосування СВ із більш м'якими підошвами повинно було б
зменшити значення ударних сил. Проте занадто м'яка підошва погіршує
стабілізацію положення стопи при переміщенні її з п’ятки у
медіально-латеральному напрямку щодо осі підтаранного суглобу, що також
може бути причиною травм [49 та ін.]. Крім того, є дані досліджень [18,
27, 36, 49 та ін.], які показують, що при біговому переміщенні з “п’ятки
на носок” значення максимуму УС не залежить від твердості матеріалів
підошви СВ.

Думка про те, що ШП можуть бути джерелом травм, вперше була висловлена
наприкінці 60-х років, коли в легкій атлетиці почали використовувати
штучні синтетичні покриття [60]. У ретроспективному дослідженні [57]
методом анкетування вивчалися частота появи травм і захворювань у 115
легкоатлетів. Виявлено, що частота появи болів і травм вище в
спортсменів, що займаються на ШП. Термін «біль» використовувався в цій
роботі для випадків, що не потребують медичного втручання. Термін
«травма» - для випадків, що потребують втручання лікаря. Основні
розходження (у %) у спортсменів, що займаються на ШП і грунтових
доріжках, спостерігалися: для категорії «біль» - періостити
великогомілкової кістки (27,6%), розтягнення м'язів гомілки (19,2%),
запалення ахілового сухожилля (17,0%), запалення сухожилля (12,7%); для
категорії «травма» - розриви ахілового сухожилля (38,5%), розриви м’язів
(25,3%), травми хребта (10,5%) і періостити великогомілкової кістки
(9,6%). Позитивний приріст відсотку різнорідних травм вказує на
збільшення можливості травматизму скоріше на ШП, ніж на грунтовій
доріжці. Дані робіт [31,32] підтверджують цей висновок: чим твердіше ШП
бігової доріжки, тим більша можливість появи запалень м'язів і сухожилля
та більш серйозних травм. Рахується, що бігові доріжки для дистанції
більш 10 000м повинні бути більш твердими, а для дистанцій до 10000м -
мягкими. Проте результати роботи [43] це припущення не підтверджують.



При дослідженні травматизму в тенісі було виявлено, що в значній мірі
частота травм також залежить від властивостей ШП [7, 39, 51, 65].
Зокрема, в цих роботах вказується, що запалення місць прикріплення
м'язів і запалення м'язів зовнішньої поверхні гомілки викликані
повторюваними ударами пятки на більш твердих ШП. Проте, на думку цих же
дослідників, основна причина травматизму в тенісі -це характеристики
тертя ШП. У той же час у якості превентивного заходу боротьби з
травматизмом за рахунок ударних навантажень пропонується зменшити час
гри на кортах із більш твердим покриттям.

Вплив ударнопоглинаючих властивостей ШП на частоту травматизму вивчалося
в аеробіці. Показано [58], що частота появи травм в інструкторів значно
вища, ніж у спортсменів (75,5 і 43,3 % відповідно). Автори зробили
висновок, що пружні, але тверді покриття в залах можуть сприяти
виникненню травм. Подібний висновок зроблений і в роботах [25, 26].

Аналіз приведених в огляді досліджень дозволяє зробити такі висновки:

1. Незважаючи на велику увагу, що приділяється проблематиці СВ/ШП за
кордрном, у нашій країні дослідження з даного напрямку практично не
проводяться.

2. Взуття і штучні покриття впливають на біодинамічні характеристики
спортивних рухів і можуть стати причиною виникнення травм.

3. При розробці нових типів спортивного взуття і штучного покриття
необхідно враховувати не тільки біодинамічну специфіку рухів конкретних
видів спорту, але і результати матеріальних тестів ударнопоглинаючих
властивостей взуття і штучного покриття для їх «еталонного» порівняння
між собою.

Література:

Кудрин И., Сулимо-Самуйло 3., Филатов А. Механические ударные нагрузки и
перегрузки как фактор экологии.— Л.: Наука, 1998. – 224 с.

Andersson R., Hauri M. Movement pattern depending on shoe and surface //
Master's thesis, ETH, Zurich, 1998. – 123 р.

Andersson G., Olofsson B. Surface and shoe deformation in sport
activities and injures // Biomechanical aspects of sport shoes and
playing surfaces / Nigg В., Kerr B. ed. University Printing, Calgary,
1993. - Р. 55—61.

Bates В., James S., Osternig L., Sawhill J., Hamill J. Effects of
running shoes on ground reaction forces // Biomechanics VI1 — University
Park Press, Baltimore, MD, 1981. - Р. 226—233.

Bates В., Osternig L., Sawhill J., James S. An assessment of subject
variability, subject-shoe interaction an the evalution of running shoes
using ground reaction force data // J. Biomech., 1993. - v 16. - Р. 181
—192.

Berg K.., Sady S. Oxygen cost of running at submaximal speeds while
wearing shoe inserts // Res. Q., 1995. - v. 56 - Р. 86—89.

Bocchi L., Fontanesi G., Orso C, Camuri G. La patologia del peide nel
tennis in rapporto al terreno di gioco // Int. J. of Sport Traumatology.
– 1994. - N 6. - Р. 325—332.

Hematiligical variations after endurance running with regul r and air
soles shoes / Burke E., Falseti H., Ratering C, Frederik E., Field R.,
Hamilton H. // Med. Sci. Sports Exerc. – 1993 - V.121. - P. 146.

Calder C, Smith C, Ying J. Measurement of shock absorption

J. Measurement of shock absorption
characteristics of athletic shoes // Exper. Tech. – 1985. - N 6. - P.
21—24.


© 2013 Alive-inter.net Про сайт Alive-inter.net Зворотній зв`язок Відмова від відповідальності