способ определения динамических параметров удара, характеризующих силу

Формула изобретения

1. Способ определения динамических параметров удара, включающий ударное воздействие на мишень, имеющую возможность свободного перемещения в направлении нанесения ударов, отличающийся тем, что регистрируют мгновенные значения ускорения мишени перед ударом, в процессе соударения и после окончания удара, на основе этих параметров вычисляют значения ускорений мишени под действием удара за время удара и путем интегрирования ускорения мишени под действием удара за время удара определяют скорость мишени в момент завершения удара и с учетом массы мишени вычисляют ее кинетическую энергию, характеризующую силу удара.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что мишень представляет собой стандартную грушу для бокса или приемник ударов, не нарушающий биомеханику конкретного вида удара.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно определяют максимальное значение силы, зарегистрированное за время удара, и время удара.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для оценки физической формы спортсмена суммируют энергию ударов за определенный интервал времени.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области спорта и может быть использовано для определения степени подготовки спортсменов и совершенствования тренировочного процесса.

Известны способы определения параметров удара, включающие измерение ускорения руки или других звеньев тела спортсмена во время удара (см. патент РФ №2212920, МПК А63В 24/00).

Известен способ определения параметров удара при помощи измерения скорости сближения ударяющего элемента и приемника ударов (см. патент РФ №2155623, МПК А63В 69/00), скорости движения конечности (см. патент РФ №2038836, МПК А63В 69/00, А63В 71/06).

В настоящее время в мире существует множество различных устройств, от дешевых и простых до дорогих и технически сложных, позволяющих измерить силу удара в боевых единоборствах. Самые распространенные датчики, используемые для измерения силы удара, - это тензодатчики, пьезорезистивные и пьезоэлектрические датчики силы. Все они обладают высокой точностью и активно используются для измерения силы ударов.

Измеряя силу удара этим способом, фактически измеряем силу, возникающую при ударе, а она по законам физики определяется упругими свойствами мишени и ударной конечности, а также их размерами, формой и относительной скоростью движения. Калибровка подобных измерителей возможна только в технике или на производстве для тел, имеющих одинаковые свойства, размеры и форму. В спорте же калиброванных по силе ударов не существует. Поэтому, имея только форму ударного импульса и не имея полноценной калибровки, невозможно получить корректные результаты при измерении силы и энергии удара с помощью тензодатчиков, пьезорезистивных и пьезоэлектрических датчиков силы и давления.

Таким образом, недостатком известных решений является недостоверность получаемых данных, т.к. вместо силы удара, в конечном счете, измеряются силы, возникающие при ударе, а они по всем законам физики определяются не только биомеханикой удара (как нам бы хотелось), но и упругими свойствами мишени и ударной конечности, а также их размерами и формами.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения параметров удара, заключающийся в измерении давления в момент удара на мишень, в качестве которой используют боксерскую грушу (см. патент РФ №2265470, МПК A63B 69/32, 2005).

Недостатком является недостоверность результатов измерений в силу описанных выше причин.

Техническим результатом изобретения является повышение достоверности результатов измерений при определении динамических параметров удара путем исключения калибровки или сделав ее однозначной, а также определение физической формы спортсмена.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения динамических параметров удара, включающем ударное воздействие на мишень, имеющую возможность свободного перемещения в направлении нанесения ударов, согласно изобретению, регистрируют мгновенные значения ускорения мишени перед ударом, в процессе соударения и после окончания удара, на основе этих параметров вычисляют значения ускорений мишени под действием удара за время удара, определяют скорость мишени в момент завершения удара интегрированием ускорения мишени под действием удара за время удара и, с учетом массы мишени, вычисляют ее кинетическую энергию, характеризующую силу удара.

Мишень может представляет собой стандартную грушу для бокса или приемник ударов, не нарушающий биомеханику конкретного вида удара.

Дополнительно определяют максимальное значение силы, зарегистрированное за время удара, и время удара, характеризующие резкость и мощность удара.

Для оценки физической формы спортсмена суммируют энергию ударов за определенный интервал времени.

В предлагаемом способе в качестве основного параметра, характеризующего силу удара, выбрана энергия удара «Е». В боевых единоборствах главная задача состоит в том, чтобы при ударе передать мишени максимум энергии, как раз это и определяет эффективность удара. В качестве двух дополнительных параметров предложено выбрать максимальное значение силы «F_мах», зарегистрированное во время удара (соударения), и само время «Т» удара (соударения).

Выбрав в качестве основного параметра энергию удара, мы практически исключаем зависимость результата измерений от свойств, размеров и формы ударной конечности.

Возьмем для примера крайний случай - удар по металлическому шару весом один килограмм рукой в резиновой перчатке или с помощью металлического кастета. Замеренная сила удара в этом случае будет различаться в 10-20 раз. Время удара (соударения) также изменится в те же 10-20 раз, только в другую сторону. Разницу же в скорости мишени после удара в том и другом случае заметить трудно. При абсолютно упругом ударе кинетическая энергия мишени останется той же. Это можно объяснить следующим образом. Средняя сила удара, действующая на мишень, может быть найдена из второго закона динамики

F _cp= Р/Т,

где Р - изменение импульса мишени за время удара (соударения). Отсюда, если первоначальная скорость мишени равна нулю, импульс мишени после удара определяется произведением средней силы удара на время соударения mV=F_cpТ. При различных свойствах мишени и ударной конечности средняя сила удара и время соударения оказываются обратно пропорциональны друг другу и, таким образом, их произведение становится мало зависимым от этих свойств, что означает слабую зависимость от них и импульса мишени и, соответственно, энергии мишени после удара. Эта слабая зависимость в физическом плане определяется тем, что часть энергии удара идет на деформацию мишени, а потери кинетической энергии при упругом ударе двух тел определяются коэффициентом восстановления, который, в свою очередь, тоже зависит от упругих свойств соударяющихся тел, от их формы и массы. Но в отличие от упругих столкновений удар после деформации мишени только начинается, то есть имеет большую продолжительность, поэтому энергия деформации относительно мала. Погрешность измерения слабых ударов так же, как и неточных (направление которых не проходит через центр тяжести мишени), будет велика, но они никого не интересуют, так как считаются неудачными. Как видим, точность измерений легко повысить, выбрав в качестве мишени резиновый приемник удара, имеющий коэффициент восстановления близкий к единице, но в этом случае нарушается биомеханика удара, что недопустимо. Дополнительные параметры, которые хоть и сильно зависят от физических свойств, размеров и формы мишени и ударной конечности, при идентичных условиях измерений, то есть при одинаковой весовой категории спортсменов, при том же виде удара и той же мишени смогут характеризовать такие качественные характеристики удара, как резкость и мощность. Например, при одинаковой энергии удара более резким и мощным, естественно, будет удар, имеющий большую максимальную силу и меньшее время соударения. В качестве мишени предлагается взять боксерские груши именитых производителей, что позволит, во-первых, исключить проблему с биомеханикой, во-вторых, любой изготовитель будет абсолютно уверен в показаниях своего прибора, тем более, что при правильно выбранной схеме калибровка вообще не требуется.

Способ реализуется следующим образом. На свободно подвешенную мишень осуществляют ударное воздействие. Регистрируют мгновенное значение ускорения мишени перед ударом. Начало и окончание удара определяется путем анализа регистрируемых ускорений согласно неравенству

где ax, ay, az - регистрируемые значения ускорений;

g - ускорение свободного падения;

k - коэффициент, определяющий чувствительность измерительной системы.

При k=0,1 и массе мишени m=10 кг удары силой меньшей, чем mkg=9,8 н (1 кгс), будут игнорироваться.

В случае неподвижности мишени ах=0, ау=0, az=g выражение

так же, как и в случае, когда мишень движется под действием только силы тяжести.

Нарушение неравенства говорит о начале удара и тогда ускорения, регистрируемые в предыдущем цикле измерений, определяются как ускорения мишени перед ударом - ax₁, ay₁, az ₁.

Восстановление неравенства говорит об окончании удара, а ускорения мишени после удара - ax₂ , ау₂, az₃. Зная начало удара и его окончание, определяют время удара (соударения) «Т».

В случае, когда направление удара проходит через центр тяжести мишени, изменения ускорения мишени до удара и после удара незначительны.

Для упрощения расчетов можно считать, что эти изменения носят линейный характер

В случае сильных, но неточных ударов (направление которых не проходит через центр тяжести мишени) результат занижается (не учитывается энергия вращения мишени), но в этом нет ничего плохого, так как точность удара - очень важная характеристика, и, если имеет место коэффициент на точность, это только приветствуется.

В процессе соударения регистрируют значения ускорений за время соударения. Измерения могут быть произведены с помощью акселерометра, размещенного в центре тяжести мишени. Выбор трехосного акселерометра позволит наносить удары по мишени с любой скоростью и в любом направлении (кроме ударов сверху). Затем на основе этих параметров вычисляют значения ускорений мишени под действием удара за время удара по формуле

Таким образом, отделяется ускорение, вызванное ударом, от ускорений, вызванных другими силами (например, силой тяжести).

Такая процедура дает возможность не терять точности измерений даже в случае нанесения быстрой серии ударов, когда мишень раскачивается и не успевает принять исходное положение. Только это позволит суммировать энергию ударов с высокой точностью и правильно оценить физическую форму спортсменов.

В случае одиночных ударов, когда мишень перед ударом находится в покое ахо=0, ауо=0, azo=g, формула вычисления ускорений мишени под действием удара принимает вид

Если в качестве датчика выбирают двухосный акселерометр, не учитывающий вертикальную составляющую силу удара, формула становится проще

Путем интегрирования ускорения за время удара определяют скорость мишени в момент завершения удара

Эта скорость не имеет ничего общего с реальной скоростью мишени после удара, она всего лишь определяет скорость мишени после удара, если перед ударом мишень была неподвижна.

Зная массу мишени, вычисляют ее кинетическую энергию, которая будет характеризовать силу удара Е=mV²/2.

В качестве акселерометров могут быть использованы интегральные акселерометры с цифровым выходом, высокая линейность и чувствительность которых позволит обойтись без дополнительной калибровки. В случае выбора акселерометров с аналоговым выходом калибровка также очень проста, так как в процессе измерений постоянно вычисляется g - ускорение свободного падения и появляется возможность организовать самокалибрующуюся систему.

Максимальную силу удара «F _max» вычисляют как произведение массы мишени на максимальное значение ускорение мишени под действием удара F _max=ma_max.

В режиме определения физической формы спортсмена имитируется боксерский поединок с 3 или 12 раундами по три минуты с одноминутным перерывом. Суммируя энергию удара за время поединка, можно легко оценить физическую форму спортсмена.

Таким образом, предлагаемый способ решает проблему достоверности измерений силы удара в спортивных единоборствах. Заявленное решение кроме точности обеспечивает технологичность измерений и решает вопрос об оценке физической формы спортсмена.