Тренировочное устройство для развития координационных способностей человека

Тренировочное устройство для развития координационных способностей человека относится к физической культуре и предназначено для тренировки лиц разного возраста, в частности для развития координации движений и вестибулярной устойчивости человека.

Технический результат заключается в повышении развития координационных способностей и вестибулярной устойчивости человека за счет полной активации структур его нервной системы и вестибулярного аппарата, отвечающих за линейное и угловое ускорение, обусловленной использованием всех шести степеней свободы при выполнении упражнений

Тренировочное устройство для развития координационных способностей человека содержит платформу, неподвижное основание, соединенные посредством связи, в виде сферического шарнира с упругой опорой, и охватывающую сферический шарнир обойму. Платформа с нижней стороны и обойма с верхней стороны выполнены со сферической полостью, радиус которой сопоставим с радиусом сферического шарнира, и в которой размещен сферический шарнир, центр которого жестко соединен с верхним концом опоры, а неподвижное основание - с ее нижним концом. В тренировочном устройстве в качестве упругой опоры сферического шарнира использована пружина сжатия, верхний и нижний концы которой расположены на ее продольной оси, а сферическая поверхность платформы выполнена с износостойким вкладышем.

Использование тренировочного устройства позволяет сократить в 3,7 раза время прохождения дистанции при челночном беге 3×10 м и в 2,3 раза время сохранения положения при непрерывном вращении головы в одну сторону в темпе, что свидетельствует о достоверных сдвигах в развитии координационных способностей и вестибулярной устойчивости человека.

Полезная модель относится к физической культуре и предназначена для тренировки лиц разного возраста, в частности для развития координации движений и вестибулярной устойчивости человека.

В повседневной жизни человека важную роль играет вестибулярная устойчивость [Ильинич, В.И. Физическая культура студента [Текст]: учебник / В.И.Ильинич. - М.: Гардарики, 2004. - 240 с.].

Общеизвестно, что высокая вестибулярная устойчивость является показателем резервных возможностей организма человека. Она позволяет вырабатывать и поддерживать различные двигательные навыки. В обеспечении высокой вестибулярной устойчивости важную роль играет вестибулярная сенсорная система человека, которая управляет движениями и обеспечивает восприятие человеком своего положения тела в пространстве, осуществляет координацию его положения в покое и в процессе двигательной деятельности. В условиях покоя рецепторы вестибулярной сенсорной системы не возбуждаются. Импульсы от вестибуло-рецепторов вызывают перераспределение тонуса скелетной мускулатуры, что обеспечивает сохранение равновесия тела. Эти влияния осуществляются рефлекторным путем через ряд отделов ЦНС. Общая координация всех движений осуществляется посредством мозжечка за счет его связей с корой головного мозга и вестибулярным аппаратом.

При изменении положения тела или его перемещении в пространстве происходит раздражение вестибулярного аппарата человека, при этом прямолинейные ускорения сопровождаются раздражением чувствительных нервных клеток мешочка и маточки преддверия вестибулярного аппарата, а вращательные ускорения - нервных клеток полукружных каналов вестибулярного аппарата.

Импульсы от рецепторов вестибулярного аппарата передаются посредством связей с мозжечком в кору полушарий головного мозга, где происходит анализ и синтез поступившей информации, приводящий к изменению импульсной активности нейронов с последующей рефлекторной реакцией соответствующих мышц тела.

Общеизвестно также, что любое свободное движущееся в трехмерном пространстве твердое тело (человек в целом) имеет шесть степеней свободы: три поступательных и три вращательных. Вследствие этого степень вестибулярной устойчивости обусловлена задействованием при выполнении движений с несколькими степенями свободы структур вестибулярной сенсорной системы, ответственных за восприятие и анализ информации о положении тела в пространстве.

Известны различные тренировочно-развлекательные тренажеры и устройства разного типа, использование которых позволяет в разной степени решать задачи воспитания практически всех физических качеств.

Однако, использование известных тренажеров, в первую очередь, способствует развитию у человека силы мышц тела, оставляя без должного внимания развитие координационных способностей, развитие которых, воспитывает такие компоненты, как чувство равновесия, точность, ритмичность, согласованность отдельных движений, а также способность быстро, точно, целесообразно, экономно и находчиво, т.е. наиболее совершенно, решать сложные и возникающие неожиданно двигательные задачи.

Известно тренировочное устройство для развития координационных способностей человека, в основе которого лежит развитие координации движений за счет вращательных движений тела (диск «Здоровье») [http://shop.mickas.ru/shop/UID_1787.html].

Известное тренировочное устройство для развития координационных способностей человека содержит платформу и основание, выполненные в виде дисков. Оба диска установлены параллельно друг другу и соединены между собой цилиндрическим шарниром, обеспечивающим вращение платформы относительно основания вокруг вертикальной оси, проходящей через центр неподвижной прямоугольной системы координат XYZ, связанной с основанием. При этом платформа имеет одну степень свободы.

Устройство работает следующим образом.

Во время выполнения физических упражнений оба диска занимают горизонтальное положение. В исходном положении, стоя на платформе, человек занимает вертикальное положение, его центр тяжести находится на оси Z.

Упражнение 1. Повороты туловища, стоя в центре платформы, ноги врозь.

Задача, стоящая перед человеком, заключается в максимальном повороте верхней части туловища вокруг вертикальной оси, удерживая свое положение на платформе.

При выполнении упражнения - повороты туловища вокруг вертикальной оси центр тяжести остается в исходном положении. Платформа с человеком поворачивается с угловым ускорением относительно основания в направлении противоположном повороту верхней части туловища. При изменении направления поворота верхней части туловища происходит изменение направления вращения платформы на противоположное. Далее упражнение повторяется. При выполнении таких упражнений человек вместе с платформой совершает возвратно-вращательные движения с одной степенью свободы вокруг оси Z.

Упражнения 2. Повороты туловища, стоя на краю платформы, ноги врозь. При этом центр тяжести человека на платформе смещяется от оси Z. При продолжении выполнения поворота туловища человека, находящегося в этом положении, на его тело действуют центробежные силы, стремящиеся увеличить расстояние центра тяжести человека от оси Z и сбросить его с вращающейся платформы. Для возвращения центра тяжести на ось Z человек осуществляет дополнительные движения телом.

При совершении одного цикла движения сгибатели мышц рук и ног, мышцы туловища (наружная косая, верхняя и нижняя зубчатые, широчайшая мышца спины, трапецивидная, слой глубоких мышц спины) испытывают динамическое напряжение, которое приводит к развитию силы мышц туловища человека.

Кроме того, выполнение упражнений на тренировочном устройстве приводит к активации вестибулярного аппарата человека. Выполнение содружественного поворота головы и туловища в сторону, (вращения вокруг оси Z) приводят к возбуждению гребешков полукружных каналов вестибулярного аппарата, которое по проводящим путям (вестибулоспинальным, вестибулокортикальным) передается в область верхней и средней части прецентральной извилины коры головного мозга. Возбуждение коры головного мозга передается к соответствующим мышцам тела человека. Таким образом, при выполнении возвратно-вращательных движений с одной степенью свободы вокруг оси Z задействованы нервные структуры вестибулярного аппарата и коры головного мозга, ответственные за угловое ускорение.

Достоинство известного тренировочного устройства заключается в том что, оно позволяет развивать силу мышц тела человека, его координационные способности и вестибулярную устойчивость благодаря выполнению упражнений с его использованием.

Однако выполнение упражнений на известном тренировочном устройстве слабо влияет на развитие координационных способностей человека, что является недостатком этого устройства. Это обусловлено тем, что при выполнении упражнений на этом тренировочном устройстве человек использует только одну вращательную степень свободы, вследствие чего происходит частичная активация нервной системы и вестибулярного аппарата человека.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности является тренировочное устройство для развития координационных способностей человека, в основе которого в основе которого лежит развитие координации движений за счет вращательных движений тела [http://delta-fitness.ru/product_55.html].

Тренировочное устройство для развития координационных способностей человека содержит платформу и неподвижное основание, связь между которыми выполнена в виде сферического шарнира на жесткой опоре, а также охватывающую сферический шарнир обойму.

Платформа в нижней части и обойма в верхней части выполнены со сферической полостью для размещения сферического шарнира, радиус которой сопоставим с радиусом сферического шарнира.

Платформа и обойма соединены между собой с возможностью регулирования расстояния между ними, например винтовым соединением.

Сферический шарнир размещен в сферической полости и жестко соединен с опорой, закрепленной на неподвижном основании. Центр сферического шарнира при работе тренировочного находится на фиксированном расстоянии от неподвижного основания.

С неподвижным основанием связана неподвижная система координат XYZ. Центр сферического шарнира совпадает с началом этой системы координат. Вертикальная ось платформы совпадает с осью Z. Сферический шарнир обеспечивает вращение платформы относительно неподвижного центра сферического шарнира. Сама платформа имеет три степени свободы и имеет возможность только поворачиваться и менять угол наклона во всех направлениях, при этом связь в виде сферического шарнира, жестко связанного с опорой, не позволяет точкам платформы поступательно перемещаться ни в одном из направлений.

Устройство работает следующим образом.

В нерабочем состоянии платформа и основание занимают горизонтальное положение. В исходном положении, стоя на платформе, человек принимает вертикальное положение, и его центр тяжести находится на оси Z.

Упражнение 1. Повороты туловища, стоя в центре платформы, ноги врозь.

Задачей данного упражнения является сохранение положения центра тяжести тела человека на оси Z при поворотах верхней части туловища вокруг оси Z.

При выполнении данного упражнения центр тяжести человека остается на оси Z, платформа с человеком поворачивается вокруг центра сферического шарнира и соответственно относительно основания вокруг оси Z в направлении противоположном повороту тела человека.

При изменении направления поворота верхней части туловища, происходит изменение направления вращения платформы с человеком на противоположное. Далее упражнение повторяется.

Упражнения 2. Повороты туловища, стоя на краю платформы, ноги врозь.

Платформа принимает наклонное положение, образуя некоторый угол с основанием. Человек с платформой начинает дополнительно поворачиваться относительно центра сферического шарнира и соответственно вокруг оси Х или оси Y.

При этом центр тяжести человека на платформе смещается от оси Z. При продолжении выполнения упражнения на человека в момент поворота действуют центробежные силы, стремящиеся увеличить расстояние центра тяжести человека от оси Z и сбросить его с вращающейся платформы. Для возвращения центра тяжести человека на ось Z человек осуществляет дополнительные движения телом, которые представляют собой комбинацию вращательных движений вокруг трех осей X, Y, Z с тремя независимыми угловыми ускорениями. При выполнении таких упражнений человек вместе с платформой совершает возвратно-вращательные движения с тремя степенями свободы, т.е. поворачивается и меняет угол наклона во всех направлениях.

При совершении одного цикла движения сгибатели мышц рук и ног, мышцы туловища (наружная косая, верхняя и нижняя зубчатые, широчайшая мышца спины, трапецивидная, слой глубоких мышц спины) испытывают динамическое напряжение, которое приводит к развитию силы мышц туловища человека.

Кроме того, выполнение упражнений на тренировочном устройстве приводит к активации вестибулярного аппарата человека. Выполнение содружественного поворота головы и туловища в сторону (вращения вокруг осей X, Y и Z) приводят к возбуждению гребешков полукружных каналов, а также мешочка и маточки преддверия вестибулярного аппарата, которое по проводящим путям (вестибулоспинальным, вестибулокортикальным, вестибуломозжечковым) передается в область верхней, средней и нижней части прецентральной извилины коры головного мозга.

Возбуждение коры головного мозга передается к соответствующим мышцам тела человека. Таким образом, для поддержания позы задействованы нервные структуры вестибулярного аппарата и коры головного мозга, ответственные за угловое и линейное ускорение.

Достоинство известного тренировочного устройства заключается в приросте силы мышц, повышении координационных способностей и вестибулярной устойчивости человека за счет расширения диапазона выполняемых упражнений, а именно, выполнению вращательных движений вокруг трех осей X, Y, Z, которое приводит к активации большего количества структур нервной системы и вестибулярного аппарата человека, отвечающих за линейное и угловое ускорение.

Однако выполнение упражнений на известном тренировочном устройстве не достигает максимального развития координационных способностей человека, что является недостатком этого устройства. Это обусловлено ограничением использования возможных степеней свободы человека при выполнении упражнений на этом тренировочном устройстве. Человек имеет возможность использовать лишь степени свободы, лишь частично активизируя структуры нервной системы и вестибулярного аппарата, отвечающие за линейное и угловое ускорение.

Задача, решаемая полезной моделью, заключается в разработке тренировочного устройства для развития координационных способностей человека, максимально повышающего развитие координационных способностей и вестибулярную устойчивость человека за счет полной активации структур его нервной системы и вестибулярного аппарата, отвечающих за линейное и угловое ускорение, обусловленной использованием всех шести возможных степеней свободы при выполнении упражнений.

Для решения поставленной задачи в тренировочном устройстве для развития координационных способностей человека, содержащем платформу и неподвижное основание, соединенные посредством связи, в виде сферического шарнира с опорой, при этом платформа с нижней стороны и обойма с верхней стороны выполнены со сферической полостью, радиус которой сопоставим с радиусом сферического шарнира, и в которой размещен сферический шарнир, центр которого жестко соединен с верхним концом опоры, а неподвижное основание - с ее нижним концом, в нем опора сферического шарнира выполнена упругой

Кроме того, в тренировочном устройстве в качестве упругой опоры сферического шарнира использована пружина сжатия, верхний и нижний концы пружины сжатия расположены на ее продольной оси и сферическая поверхность платформы выполнена с износостойким вкладышем.

Заявляемое решение отличается от известного решения-прототипа выполнением в тренировочном устройстве для развития координационных способностей человека опоры для сферического шарнира в виде упругой связи между платформой и основанием. Наличие существенного отличительного признака в совокупности признаков тренировочного устройства свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности полезной модели «новизна».

Выполнение опоры для сферического шарнира в виде упругой связи увеличивает число степеней свободы человека на платформе при выполнении упражнений с трех в прототипе до шести при использовании заявляемого устройства. Человек на платформе может совершать три поступательных перемещения и три вращательных движения. Увеличение числа степеней свободы при выполнении упражнений активирует большее количество структур головного мозга и проводящих путей, ответственных за угловое и линейное ускорение, что приводит к повышению развития координационных способностей и устойчивости человека.

На фиг.1 представлено центральное сечение тренировочного устройства для развития координационных способностей человека, которая подтверждает работоспособность и промышленную применимость заявляемого устройства.

На фиг.2 представлена кинематическая схема тренировочного устройства для развития координационных способностей человека.

Устройство содержит платформу 1, неподвижное основание 2, соединенные посредством связи, включающей сферический шарнир 3 и упругую опору, например, пружину сжатия 4, а также охватывающую сферический шарнир 3 обойму 5.

Платформа 1 с нижней стороны и обойма 5 с верхней стороны выполнены со сферической полостью, радиус которой сопоставим с радиусом сферического шарнира 3. Сферический шарнир 3 размещен в сферической полости, образованной платформой 1 и обоймой 5.

Платформа 1 и обойма 5 соединены между собой с возможностью регулирования расстояния между ними, например резьбовым соединением 6.

С неподвижным основанием 2 связана неподвижная система координат XУZ с центром в точке О. С центром O₁ сферического шарнира 3 связана подвижная система координат X₁У ₁Z₁. Ось Z неподвижной системы координат XУZ направлена по вертикали, а ось Z₁ подвижной системы координат - перпендикулярно плоскости платформы 1.

Верхний конец пружины 4 жестко соединен с центром O₁ сферического шарнира 3, а нижний - с точкой О неподвижного основания 2. Верхний и нижний концы пружины 4 расположены на ее продольной оси.

Связь платформы 1 с основанием 2 посредством сферического шарнира 3 с пружиной 4 обеспечивает платформе 1 шесть степеней свободы, что позволяет ей совершать три поступательных движения вместе с центром в точке О₁ и три вращательных движения вокруг этого центра.

Для уменьшения сопротивления движению платформы 1 от силы трения скольжения между платформой 1 и сферическим шарниром 3 в сферической полости платформы 1 размещен износостойкий сферический вкладыш 7.

Тренировочное устройство для развития координационных способностей человека работает следующим образом.

В нерабочем положении платформа 1 занимает горизонтальное положение. Ось Z₁ подвижной системы координат совпадает с осью Z неподвижной системы координат. Центр О₁ сферического шарнира 3 расположен на оси Z. Продольная ось пружины 4 занимает вертикальное положение.

При установке человека на платформу 1 его центр тяжести находится на оси Z.

Упражнение 1. Повороты туловища, стоя в центре платформы, ноги врозь.

Задачей данного упражнения является сохранение положения центра тяжести на оси Z при повороте верхней части туловища человека.

При выполнении данного упражнения центр тяжести человека остается на оси Z. Платформа 1 с человеком поворачивается вокруг оси Z в направлении противоположном повороту верхней части туловища человека.

При изменении направления поворота тела, происходит изменение направления вращения платформы с человеком на противоположное. Далее упражнение повторяется.

Упражнения 2. Повороты туловища, стоя на краю платформы, ноги врозь. Центр тяжести человека и центр О₁ шарнира 3 смещается от оси Z, а продольная ось пружины 4 занимает наклонное положение. Упругие свойства пружины 4 обеспечивают три независимые возможные перемещения ее верхнего конца и совмещенного с ним центра O₁ сферического шарнира 3. Одно из них направлено вдоль продольной оси пружины 4 (оси ОО₁), а два другие ему перпендикулярны. Эти перемещения определяют три возможные независимые поступательные перемещения платформы 1 с человеком.

Сферический шарнир 3 обеспечивает три возможные независимые вращательные движения платформы 1 с человеком вокруг центра O ₁, т.е. вокруг осей X₁,У₁, Z ₁.

Таким образом, платформа 1 с человеком имеет шесть степеней свободы: три независимые поступательные перемещения вместе с центром O₁ и три независимые вращательные движения вокруг этого центра.

При повороте верхней части туловища человек участвует в указанных шести движениях. На человека действуют центробежные силы и касательные силы инерции, которые в совокупности стремятся с большей интенсивностью сбросить его с вращающейся платформы.

Для возвращения центра тяжести человека на ось Z он осуществляет дополнительные манипуляции, которые представляют комбинацию трех поступательных и трех вращательных движений. При этом происходит реализация шести степеней свободы, присущих человеку.

При совершении одного цикла движения сгибатели мышц рук и ног, мышцы туловища (наружная косая, верхняя и нижняя зубчатые, широчайшая мышца спины, трапецивидная, слой глубоких мышц спины) испытывают статические напряжения, позволяющие сохранять тело человека на платформе 1, что приводит к качественному развитию силы мышц туловища человека.

Кроме того, выполнение упражнений на тренировочном устройстве приводит к активации вестибулярного аппарата человека в полном объеме. Выполнение содружественного поворота головы и туловища в сторону (вращения вокруг осей X, Y и Z) приводят к возбуждению гребешков полукружных каналов, а также мешочка и маточки преддверия вестибулярного аппарата, которое по проводящим путям (вестибулоспинальным, вестибулокортикальным, вестибуломозжечковым, вестибулоглазодвигательным и вестибуловегетативным) передается в область верхней, средней и нижней части прецентральной извилины коры головного мозга. Возбуждение коры головного мозга передается к соответствующим мышцам тела человека. Задействуются все связи мозжечка. Таким образом, для поддержания позы человека задействованы все нервные структуры вестибулярного аппарата и коры головного мозга, ответственные за угловое и линейное ускорение при любом изменении скорости и направления движения.

Для подтверждения заявленного технического результата был проведен педагогический эксперимент (апробация в опытных группах) в условиях спортивного комплекса ДВГУПС г.Хабаровска.

Для проведения педагогического эксперимента были использованы опытные образцы тренировочного устройства для развития координационных способностей движений человека, выполненные следующим образом.

Платформа 1, с параметрами 68×40×8 см, основание 2 с параметрами 68х40х5 см и обойма 5 с параметрами 46×40×5 см выполнены из высокопрочного материала - пластика поливенилхлорида. Сферический шарнир 3 с радиусом 5 см выполнен из пластика поливенилхлорида. Износостойкий сферический вкладыш 7 выполнен из пластика-капролона. Пружина сжатия 4 выполнена из пружинной стали с параметрами, определенными расчетным путем в соответствии с методикой определения размеров пружины по ГОСТУ 13765-86 «Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из стали круглого сечения. Обозначение параметров, методика определения размеров». Диаметр пружины 4 составляет 12,5 см, диаметр витка - 1,2 см, высота пружины в ненагруженном состоянии - 8,0 см

В ходе эксперимента были организованы контрольная и экспериментальная группы по 8 человек.

До проведения эксперимента физическое состояние и физическая подготовленность, занимающихся в контрольной и экспериментальной группах, были сопоставимыми, т.е. статистически достоверными. Это свидетельствует об однородности контрольной и экспериментальных групп, как важного условия организации эксперимента.

В контрольной группе испытуемые занимались физическими упражнениями по общепринятой программе по дисциплине «Физическая культура» для ВУЗов.

В экспериментальной группе испытуемые занимались физическими упражнениями с использованием заявляемого тренировочного устройства для развития координационных способностей движений человека.

Занятия проводились 3 раза в неделю, длительностью согласно возрастным нормам. Главной задачей этих занятий было повышение уровня развития координационных способностей.

Эксперимент по выявлению эффективности использования устройства для развития координационных способностей человека длился 1 год, после чего было проведено контрольное тестирование одного из качеств физических способностей, а именно координационных способностей.

В эксперименте в качестве контроля развития координационных способностей был использован челночный бег 3×10 м, при котором происходит многократное прохождение одной и той же короткой дистанции в прямом и обратном направлении с резким изменением правления движения на концах дистанции бега, и который характеризует уровень развития координационных способностей.

В качестве контроля развития вестибулярной устойчивости была использована проба А.И.Яроцкого. При выполнении данного теста человек, в исходной положении - основная стойка, глаза закрыты, выполняет непрерывное вращение головы в одну сторону в темпе - два движения в секунду. Оценивается отсчитываемое время от начала движения головой до момента потери равновесия удержание равновесия.

Усредненные показатели контрольного тестирования приведены в таблицах.

Результаты контрольного тестирования показывают, что время прохождения дистанции - челночный бег 3х10 м в экспериментальной группе сократилось в 3,7 раза, и время сохранения положения при непрерывном вращении головы в одну сторону в темпе увеличилось в 2,3 раза что свидетельствует о достоверных сдвигах в развитии координационных способностей и вестибулярной устойчивости занимающихся в экспериментальной группе с использованием заявляемого тренировочного устройства.

1. Тренировочное устройство для развития координационных способностей человека, содержащее платформу, неподвижное основание, соединенные посредством связи, в виде сферического шарнира с опорой, и охватывающую сферический шарнир обойму, при этом платформа с нижней стороны и обойма с верхней стороны выполнены со сферической полостью, радиус которой сопоставим с радиусом сферического шарнира, и в которой размещен сферический шарнир, центр которого жестко соединен с верхним концом опоры, а неподвижное основание - с ее нижним концом, отличающееся тем, что опора сферического шарнира выполнена упругой.

2. Тренировочное устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве упругой опоры сферического шарнира использована пружина сжатия.

3. Тренировочное устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что верхний и нижний концы пружины сжатия расположены на ее продольной оси.

4. Тренировочное устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что сферическая поверхность платформы выполнена с износостойким вкладышем.