Семенова Ю.О., Васин С.А. СЕКЦИЯ "ПРОМЫШЛЕННЫЙ ДИЗАЙН"

[Королева С.В.]

УДК 7.05 УДК 658.512.2
Семенова Ю.О., науч. рук.: д-р техн. наук, проф. Васин С.А. (Россия, г. Тула, ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет»)

ЭВОЛЮЦИЯ ТРЕНАЖЕРНЫХ УСТРОЙСТВ

Рассмотрена эволюция и основные стадии формообразования спортивного оборудования.

Физическая культура и спорт являются основой развития здорового современного общества. Для поддержания хорошей физической формы человеку необходимы регулярные занятия, а качественное спортивное оборудование делает их более эффективными. С его помощью можно намного лучше проработать и укрепить все группы мышц человека. Создание новых и модификации существующих тренажеров происходит под действием научно-технического прогресса, который открывает новые технологии и направления, а также углубления знаний теории в области физиологии упражнений.
Свободный вес
Первой ступенью эволюции тренажерных устройств является свободный вес. Свободное отягощение отличается возможностью выполнения тренировочных движений со всеми возможными степенями свободы, а недостатком является вовлечение в работу большого количества дополнительных мышечных групп, выполняющих стабилизационную функцию. Однако для повышения эффективности движений наиболее результативной является выборочная тренировка отдельных мышечных групп. Это связано с наличием отстающих мышечных групп. На данном этапе появилась идея ограничения числа степеней свободы.
Модификация конструктивных решений
С точки зрения конструкции все типы тренажерных устройств подразделяются на три группы:
1) устройства с линейным перемещением;
2) устройства с угловым перемещением;
3) грузоблочные конструкции.
В устройствах с линейным перемещением свободный вес имеет возможность перемещаться только по прямой линии благодаря использованию рельс или специальных линейных подшипников. Данный тип перемещения позволяет с большим преимуществом выполнять такие движения, как приседания и жимы (стоя, сидя, лежа и под различными углами к горизонту).
Тренажерные устройства второго типа (рычажные тренажеры) - хаммер-машины используются для тренировки односуставных движений: сгибания-разгибания в плечевом, локтевом, тазобедренном, коленном и голеностопном суставах.
Достаточную свободу имеет движение в грузоблочных тренажерах благодаря гибкости троса, но имеет ограничения, из-за фиксированного в определенной точке контакта троса и блока, по которому он скользит.
Целесообразнее всего использоватьданные тренажеры для тренировки различных видов тяг (верхняя и нижняя тяга), в которых участвуют мышцы-сгибатели. Основным достоинством данных тренажеров является автоматический выбор оптимальной траектории движения при значительно сниженной роли стабилизационных мышц.
Появление машины типа «Наутилус» стало революционным благодаря дополнению грузоблочного тренажера жестким элементом рычажного тренажера с изменяющимся плечом приложения силы. Принцип ее работы основывается на использовании эксцентрика со специальным профилем, выполняющего вращательное движение, к которому прикреплен рабочий рычаг. Свободный вес способен обеспечить только постоянную нагрузку, поэтому в разных фазах амплитуды мышца является недогруженной или перегруженной. Применение специального профиля регулирования нагрузки, соответствующего особенностям конкретной мышечной группы, благодаря изменению плеча приложения силы заметно увеличивает эффективность тренировки, что позволяет двигаться с максимальным усилием на протяжении всей амплитуды.
Модификация способов задания нагрузки
Попыткой устранить инерцию свободного веса явилось использование резиновых жгутов. В данном случае сопротивление обеспечивается за счет силы Гука, которая связана только с жесткостью жгута, обеспечивая безынерционную нагрузку. Основным минусом этого способа является отсутствие возможности быстрого изменения тренировочной нагрузки, а также возрастание нагрузки пропорционально растяжению жгута.
Еще одним вариантом задания тренировочной нагрузки явилось применение гидравлического сопротивления. С его появлением в практику спорта и научных исследований вошел изокинетический режим мышечного сокращения - движение с постоянной скоростью. Изотоническим режимомназывают движение с постоянной нагрузкой, обеспечиваемое свободным весом или резиновым жгутом. Изокинетический режим тренировки широко применяется при тренировке в видах спорта, связанных с движением в воде, которая в значительной мере снижает возникающие ускорения. Эффективность данной тренировки заключается в том, что прирост мышечной производительности заметен в режимах тренируемого мышечного сокращения.
Гидравлические тренажеры потеряли популярность из-за сложного обслуживания, высокой стоимости и недостаточной надежности. Вместо них появились тренажеры с электрическим приводом, а также тренажеры с воздушным сопротивлением, которые обеспечивают нагрузку, близкую к изокинетической. Современные гребные эргометры, широко вошедшие в практику подготовки высококвалифицированных гребцов, оснащены резистивным блоком с воздушным сопротивлением.
Внедрение управляемых силовых приводов
Достижением в области создания тренажеров стало внедрение управляемых силовых приводов. Наиболее распространеннымиявляются пневматический и электрический приводы.
В случае пневматического привода нагрузка обеспечивается благодаря давлению сжатого воздуха, который создает безынерционную нагрузку, подобную той, которая обеспечивается резиновыми жгутами или пружинами (сила Гука). Данный привод обеспечивает изотонический режим мышечного сокращения.
В электрическом приводе нагрузка обеспечивается за счет магнитных сил, которые возникают между ротором и статором электродвигателя. Электрический привод имеет возможность обеспечивать все известные типы мышечного сокращения.
Особенностью данных силовых приводов является автоматическое регулирование тренировочной нагрузки как во время выполнения одного движения, так и во время серии движений, что заметно снижает погрешность влияния человеческого фактора.
Появление средств измерения
Важным эволюционным шагом стало оснащение тренажеров датчиками, измеряющими основные параметры движения: силу, скорость, амплитуду движения. До появления измерительных датчиков текущие функциональные возможности мышц оценивались трудоемкими и грубыми методами. С их появлением, оценка текущего функционального состояния мышц заметно упростилась, а ее точность повысилась. Для измерений стало достаточно нескольких движений (лишь для набора статистики, в идеале достаточно и одного движения) с немаксимальной нагрузкой. Датчики силы или скорости с высокой точностью определяют текущее значение скоростно-силовых возможностей.
Появление средств визуализации
Важной эволюционной ступенью стало появление тренажерных устройств с обратной связью, использующих зрительный, слуховой, перцептивный каналы. Появилась возможность в режиме реального времени наблюдать за текущим уровнем своих скоростно-силовых возможностей. Данные устройства широко примененяются в спорте для отработки соревновательного движения, а также в восстановительной медицине и диагностике двигательных нарушений.
В первом случае спортсмен сравнивает свой и эталонный профиль распределения нагрузки, стараясь точно повторить заданное движение.
Во втором пациент должен запоминать и повторять различные параметры движения: силу, скорость, амплитуду мышечного сокращения, после чего вычисляется ошибка.
Автоматизация тренировочного процесса
Последней разработкой на сегодняшний день являются тренажерные устройства с функцией электронного тренера. Тренажеры последнего поколения включают в себя компьютеры, которые собирают, анализируют и хранят информацию, поступающую от измерительных датчиков, а также управляют работой силовых приводов для изменения тренировочной нагрузки. Интеллектуальные тренировочные системы подразделяются на два класса: устройства, автоматизирующие тренировочный процесс в течение выполнения
одного упражнения, и устройства для долговременной тренировки, направленной на достижение заданной цели.
К тренажерам первого класса относится, например, беговая дорожка и другие виды кардиотренажеров, обладающих функцией автоматической поддержки заданного уровня частоты сердечных сокращений.
Для долговременной тренировки используются тренажерные системы, состоящие из нескольких тренажеров для различных мышечных групп. Данные системы могут быть полуавтоматическими - смарт-карт-системы, или полностью автоматизированными - объединенными в единую локальную сеть с центральным компьютером.
Подобная организация работы в тренажерном зале - это значительный прорыв, но и она не лишена недостатков. К ним можно отнести: произвольное время отдыха между упражнениями; возможные ошибки тренера, составляющего тренировочный план; перемещение занимающихся по залу в произвольном порядке, поскольку это ведет к неэффективнойэксплуатации тренажеров и привносит погрешность в выбор времени отдыха, так как тренажерможет быть занят другим занимающимся.
Видимой перспективой в области разработки новых тренажерных устройств является полностью автоматизированная тренировочная система.
Заключение
Анализируя эволюционный путь тренажерных устройств, используемых для тренировки разнообразных двигательных качеств, можно выделить основные этапы развития:
1) свободный вес;
2) модификация конструктивных особенностей;
3) модификация физических параметров нагрузки;
4) автоматическое управление тренировочной нагрузкой;
5) оснащение измерительными датчиками;
6) оснащение средствами отображения информации;
7) наделение тренажерных устройств интеллектуальными функциями.
Дальнейшее развитие в сфере модернизации тренажерных устройств основывается на совершенствовании трех направлений, обусловленных научно-техническим прогрессом:
1) появление новых типов силовых приводов, которые позволяют создавать особые режимы мышечного сокращения;
2) появление новых типов датчиков, а также способов их использования;
3) совершенствование алгоритмов управления тренировочным процессом в автоматическом режиме.