Спортивная метрология. Спортивная метрология как научная дисциплина

ЛЕКЦИЯ 2

ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Измерением в широком смысле слова называется установление соответствия между изучаемыми явлениями, с одной стороны, и числами, с другой.

Измерение физической величины - это нахождение опытным путем связи между измеряемой величиной и единицей измерения данной величины, производимое, как правило, с помощью специальных технических средств. При этом под физической величиной понимается характеристика различных свойств, общих в количественном отношении для многих физических объектов, но индивидуальных в качественном отношении для каждого из них. К физическим величинам относятся длина, время, масса, температура и множество других. Получение сведений о количественных характеристиках физических величин собственно и является задачей измерений.

1. Элементы системы измерения физических величин

Основные элементы, в полной мере характеризующие систему измерения любых физических величин, представлены на рис. 1.

Какие бы виды измерений физических величин не производились, все они возможны только при наличии общепринятых единиц измерений (метров, секунд, килограммов и т. п.) и шкал измерений, позволяющих упорядочить измеряемые объекты и приписать им числа. Это обеспечивается использованием соответствующих средств измерений, позволяющих получить необходимую точность. Для достижения единства измерений существуют разработанные стандарты и правила.

Следует отметить, что измерение физических величин является основой всех без исключения измерений в спортивной практике. Оно может иметь самостоятельный характер, например, при определении массы звеньев тела; служить первым этапом оценивания спортивных результатов и результатов тестов, например, при выставлении оценки в баллах по результатам измерения длины прыжка с места; косвенно влиять на качественную оценку исполнительского мастерства, например, по амплитуде движений, ритму, положению звеньев тела.

Рис. 1. Основные элементы системы измерения физических величин

2. Виды измерений

Измерения делятся по средствам измерения (органолептические и инструментальные) и по способу получения числового значения измеряемой величины (прямые, косвенные, совокупные, совместные).

Органолептическими называются измерения, основанные на использовании органов чувств человека (зрения, слуха и т. д.). Например, человеческий глаз может с высокой точностью определить при попарном сравнении относительную яркость источников света. Одним из видов органолептических измерений является обнаружение - решение о том, отлично от нуля значение измеряемой величины или нет.

Инструментальными называются измерения, выполняемые с помощью специальных технических средств. Большинство измерений физических величин являются инструментальными.

Прямые измерения - это измерения, при которых искомое значение находят непосредственно сравнением физической величины с мерой. К таким измерениям можно отнести, например, определение длины предмета путем ее сравнения с мерой - линейкой.

Косвенные измерения отличаются тем, что значение величины устанавливают по результатам прямых измерений величин, связанных с искомой определенной функциональной зависимостью. Так, измерив объем и массу тела, можно вычислить (косвенно измерить) его плотность или, измерив длительность полетной фазы прыжка, вычислить его высоту.

Совокупными измерениями называются такие, в которых значения измеряемых величин находят по данным их повторных измерений при различных сочетаниях мер. Результаты повторных измерений подставляются в уравнения, и вычисляется искомая величина. Например, объем тела может быть сначала найден по измерению объема вытесненной жидкости, а затем - по измерению его геометрических размеров.

Совместные измерения - это одновременные измерения двух и более неоднородных физических величин для установления функциональной зависимости между ними. Например, определение зависимости электрического сопротивления от температуры.

3. Единицы измерений

Единицы измерений физических величин представляют собой значения данных величин, которые по определению считаются равными единице. Они ставятся за числовым значением какой-либо величины в виде символа (5,56 м; 11,51 с и т. п.). Единицы измерений пишутся с большой буквы, если названы в честь известных ученых (724 Н; 220 В и т. п.). Совокупность единиц, относящихся к некоторой системе величин и построенных в соответствии с принятыми принципами, образует систему единиц.

Система единиц включает в себя основные и производные единицы. Основными называются выбранные и независимые друг от друга единицы. Величины, единицы которых принимаются за основные, как правило, отражают наиболее общие свойства материи (протяженность, время и т. п.). Производными называются единицы, выраженные через основные.

На протяжении истории сложилось достаточно много систем единиц измерений. Введение в 1799 г. во Франции единицы длины - метра, равного одной десятимиллионной части четверти дуги Парижского меридиана, послужило основой метрической системы. В 1832 г. немецким ученым Гауссом была предложена система, названная абсолютной, в которой в качестве основных единиц были введены миллиметр, миллиграмм, секунда. В физике нашла применение система СГС (сантиметр, грамм, секунда), в технике - МКС (метр, килограмм-сила, секунда).

Наиболее универсальной системой единиц, охватывающей все отрасли науки и техники, является Международная система единиц (Systeme International ďUnites - франц.) с сокращенным названием «SI», в русской транскрипции «СИ». Она была принята в 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам. В настоящее время в систему СИ входят семь основных и две дополнительные единицы (табл. 1).

Таблица 1. Основные и дополнительные единицы системы СИ

Величина
	Наименование	Обозначение
			международное
	Основные
	Килограмм
Сила электрического тока
Термодинамическая температура
Количество вещества
Сила света
	Дополнительные
Плоский угол
Телесный угол	Стерадиан

Кроме перечисленных в таблице 1, в систему СИ введены единицы количества информации бит (от binary digit - двоичный разряд) и байт (1 байт равен 8-и битам).

Система СИ насчитывает 18 производных единиц, имеющих специальные названия. Некоторые из них, находящие применение в спортивных измерениях, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Некоторые производные единицы системы СИ

Величина
	Наименование	Обозначение
Давление
Энергия, работа
Мощность
Электрическое напряжение
Электрическое сопротивление
Освещенность

Внесистемные единицы измерений, не относящиеся ни к системе СИ, ни к какой-либо другой системе единиц, используются в физической культуре и спорте в силу традиции и распространенности в справочной литературе. Применение некоторых из них ограничено. Наиболее часто используются следующие внесистемные единицы: единица времени - минута (1 мин = 60 с), плоского угла - градус (1 град = π/180 рад), объема - литр (1 л = 10 -3 м 3), силы - килограмм-сила (1 кГ = 9,81 Н) (не следует путать килограмм-силу кГ с килограммом массы кг), работы - килограммометр (1 кГ·м = 9,81 Дж), количества теплоты - калория (1 кал = 4,18 Дж), мощности - лошадиная сила (1 л. с. = 736 Вт), давления - миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст. = 121,1 Н/м 2).

К внесистемным единицам относятся десятичные кратные и дольные единицы, в наименовании которых имеются приставки: кило - тысяча (например, килограмм кг = 10 3 г), мега - миллион (мегаватт МВт = 10 6 Вт), милли - одна тысячная (миллиампер мА = 10 -3 А), микро - одна миллионная (микросекунда мкс = 10 -6 с), нано - одна миллиардная (нанометр нм = 10 -9 м) и др. В качестве единицы длины также используется ангстрем - одна десятимиллиардная метра (1 Å = 10-10 м). К этой же группе относятся национальные единицы, например, английские: дюйм = 0,0254 м, ярд = 0,9144 м или такие специфические, как морская миля = 1852 м.

Если измеренные физические величины используются непосредственно при педагогическом или биомеханическом контроле, и с ними не производятся дальнейшие вычисления, то они могут быть представлены в единицах разных систем или внесистемных единицах. Например, объем нагрузки в тяжелой атлетике может быть определен в килограммах или тоннах; угол сгибания ноги легкоатлета при беге - в градусах и т. п. Если же измеренные физические величины участвуют в вычислениях, то они обязательно должны быть представлены в единицах измерений одной системы. Например, в формулу для расчета момента инерции тела человека методом маятника период колебаний должен подставляться в секундах, расстояние - в метрах, масса - в килограммах.

4. Шкалы измерений

Шкалы измерений представляют собой упорядоченные совокупности значений физических величин. В спортивной практике находят применение четыре вида шкал.

Шкала наименований (номинальная шкала) является самой простой из всех шкал. В ней числа служат для обнаружения и различения изучаемых объектов. Например, каждому игроку футбольной команды присваивается конкретное число - номер. Соответственно, игрок под номером 1 отличается от игрока под номером 5 и т. д., но насколько они отличаются и в чем именно измерить нельзя. Можно лишь подсчитать, как часто встречается то или иное число.

Шкала порядка состоит из чисел (рангов), которые присваиваются спортсменам соответственно показанным результатам, например, местам на соревнованиях по боксу, борьбе т. п. В отличие от шкалы наименований, по шкале порядка можно установить, кто из спортсменов сильнее, а кто слабее, но насколько сильнее или слабее сказать нельзя. Шкала порядка широко используется для оценки качественных показателей спортивного мастерства. С рангами, найденными по шкале порядка, можно производить большое число математических операций, например, рассчитывать ранговые коэффициенты корреляции.

Шкала интервалов отличается тем, что числа в ней не только упорядочены по рангам, но и разделены определенными интервалами. В этой шкале установлены единицы измерения, и измеряемому объекту присваивается число, равное количеству единиц измерения, которое он содержит. Нулевая точка в шкале интервалов выбирается произвольно. Примером использования данной шкалы может быть измерение календарного времени (начало отсчета может быть выбрано разным), температуры по Цельсию, потенциальной энергии.

Шкала отношений имеет строго определенную нулевую точку. По этой шкале можно узнать, во сколько раз один объект измерения превышает другой. Например, при измерении длины прыжка находят, во сколько раз эта длина больше длины тела, принятого за единицу (метровой линейки). В спорте по шкале отношений измеряют расстояние, силу, скорость, ускорение и т. п.

5. Точность измерений

Точность измерения - это степень приближения результата измерения к действительному значению измеряемой величины. Погрешностью измерения называется разность между полученным при измерении значением и действительным значением измеряемой величины. Термины «точность измерения» и «погрешность измерения» имеют противоположный смысл и в равной мере используются для характеристики результата измерения.

Никакое измерение не может быть выполнено абсолютно точно, и результат измерения неизбежно содержит погрешность, значение которой тем меньше, чем точнее метод измерения и измерительный прибор.

По причинам возникновения погрешность разделяют на методическую, инструментальную и субъективную.

Методическая погрешность обусловлена несовершенством применяемого метода измерений и неадекватностью используемого математического аппарата. Например, маска для забора выдыхаемого воздуха затрудняет дыхание, что снижает измеряемую работоспособность; математическая операция линейного сглаживания по трем точкам зависимости ускорения звена тела спортсмена от времени может не отражать особенности кинематики движения в характерные моменты.

Инструментальная погрешность вызывается несовершенством средств измерения (измерительной аппаратуры), несоблюдением правил эксплуатации измерительных приборов. Она обычно приводится в технической документации на средства измерений.

Субъективная погрешность возникает вследствие невнимательности или недостаточной подготовленности оператора. Эта погрешность практически отсутствует при использовании автоматических средств измерений.

По характеру изменения результатов при повторных измерениях погрешность разделяют на систематическую и случайную.

Систематической называется погрешность, значение которой не меняется от измерения к измерению. Вследствие этого она часто может быть заранее предсказана и устранена. Систематические погрешности бывают известного происхождения и известного значения (например, запаздывание светового сигнала при измерении времени реакции из-за инертности электрической лампочки); известного происхождения, но неизвестного значения (прибор постоянно завышает или занижает измеряемое значение на разную величину); неизвестного происхождения и неизвестного значения.

Для исключения систематической погрешности вводятся соответствующие поправки, устраняющие сами источники погрешностей: правильно располагается измерительная аппаратура, соблюдаются условия ее эксплуатации и т. д. Применяется тарировка (нем. tariren - градуировать) - проверка показаний прибора путем сравнения с эталонами (образцовыми мерами или образцовыми измерительными приборами).

Случайной называется погрешность, возникающая под действием разнообразных факторов, которые нельзя заранее предсказать и учесть. Вследствие того, что на организм спортсмена и на спортивный результат влияют множество факторов, практически все измерения в области физической культуры и спорта имеют случайные погрешности. Они принципиально неустранимы, однако, с помощью методов математической статистики можно оценить их значение, определить необходимое число измерений для получения результата с заданной точностью, правильно интерпретировать результаты измерений. Основным способом уменьшения случайных погрешностей является проведение ряда повторных измерений.

В отдельную группу выделяют так называемую грубую погрешность, или промахи. Это - погрешность измерения, существенно превышающая ожидаемую. Промахи возникают, например, из-за неправильного отсчета по шкале прибора или ошибки в записи результата, внезапного скачка напряжения в сети и т. п. Промахи легко обнаруживаются, так как резко выпадают из общего ряда полученных чисел. Существуют статистические методы их обнаружения. Промахи должны быть отброшены.

По форме представления погрешность разделяют на абсолютную и относительную.

Абсолютная погрешность (или просто погрешность) ΔX равна разности между результатом измерения X и истинным значением измеряемой величины X 0 :

ΔX = X - X 0 (1)

Абсолютная погрешность измеряется в тех же единицах, что и сама измеряемая величина. Абсолютная погрешность линеек, магазинов сопротивлений и других мер в большинстве случаев соответствует цене деления. Например, для миллиметровой линейки ΔX = 1 мм.

Так как истинное значение измеряемой величины обычно установить не представляется возможным, в его качестве принимают значение данной величины, полученное более точным способом. Например, определение частоты шагов при беге на основе подсчета количества шагов за промежуток времени, измеренный с помощью ручного секундомера, дало результат 3,4 шаг/с. Этот же показатель, измеренный посредством радиотелеметрической системы, включающей в себя контактные датчики-переключатели, оказался 3,3 шаг/с. Следовательно, абсолютная погрешность измерения с помощью ручного секундомера составляет 3,4 - 3,3 = 0,1 шаг/с.

Погрешность средств измерения должна быть существенно ниже самой измеряемой величины и диапазона ее изменений. В противном случае результаты измерений не несут никакой объективной информации об изучаемом объекте и не могут быть использованы при любом виде контроля в спорте. Например, измерение максимальной силы сгибателей кисти динамометром с абсолютной погрешностью 3 кГ с учетом того, что значение силы находится обычно в пределах 30 - 50 кГ, не позволяет использовать результаты измерений при текущем контроле.

Относительная погрешность ԑ представляет процентное отношение абсолютной погрешности ΔX к значению измеряемой величины X (знак ΔX не учитывается):

(2)

Относительная погрешность измерительных приборов характеризуется классом точности K . Класс точности - это процентное отношение абсолютной погрешности прибора ΔX к максимальному значению измеряемой им величины X max :

(3)

Например, по степени точности электромеханические приборы делятся на 8 классов точности от 0,05 до 4.

В случае, когда погрешности измерений носят случайный характер, а сами измерения прямые и проводятся многократно, то их результат приводится в виде доверительного интервала при заданной доверительной вероятности. При небольшом количестве измерений n (объем выборки n ≤ 30) доверительный интервал:

(4)

при большом количестве измерений (объем выборки n ≥ 30) доверительный интервал:

(5)

где - выборочное среднее арифметическое (среднее арифметическое из измеренных значений);

S - выборочное стандартное отклонение;

t α - граничное значение t-критерия Стьюдента (находится по таблице t-распределения Стьюдента в зависимости от числа степеней свободы ν = n- 1 и уровня значимости α ; уровень значимости обычно принимается α = 0,05, что соответствует достаточной для большинства спортивных исследований доверительной вероятности 1 - α = 0,95, то есть 95%-й доверительной вероятности);

u α - процентные точки нормированного нормального распределения (для α = 0,05 u α = u 0,05 = 1,96).

В области физической культуры и спорта наряду с выражениями (4) и (5) результат измерений принято приводить (с указанием n ) в виде:

(6)

где - стандартная ошибка среднего арифметического .

Значения и в выражениях (4) и (5), а также в выражении (6) представляют собой абсолютную величину разности между выборочным средним и истинным значением измеряемой величины и, таким образом, характеризуют точность (погрешность) измерения.

Выборочные среднее арифметическое и стандартное отклонение, а также другие числовые характеристики могут быть рассчитаны на компьютере с использованием статистических пакетов, например, STATGRAPHICS Plus for Windows (работа с пакетом подробно изучается в курсе компьютерной обработки данных экспериментальных исследований - см. пособие А.Г. Катранова и А.В. Самсоновой, 2004).

Следует отметить, что измеряемые в спортивной практике величины не только определяются с той или иной погрешностью измерения (ошибкой), но и сами, как правило, варьируют в некоторых пределах в силу своей случайной природы. В большинстве случаев ошибки измерения существенно меньше значения естественного варьирования определяемой величины, и общий результат измерения, как и в случае случайной погрешности, приводится в форме выражений (4)-(6).

В качестве примера можно рассмотреть измерение результатов в беге на 100 м группы школьников в количестве 50 человек. Измерения проводились ручным секундомером с точностью до десятых долей секунды, то есть с абсолютной погрешностью 0,1 с. Результаты варьировали от 12,8 с до 17,6 с. Видно, что погрешность измерения существенно меньше результатов в беге и их варьирования. Вычисленные выборочные характеристики составили: = 15,4 с; S = 0,94 с. Подставляя данные значения, а также u α = 1,96 (при 95%-й доверительной вероятности) и n = 50 в выражение (5) и учитывая, что нет смысла вычислять границы доверительного интервала с большей точностью, чем точность измерения времени бега ручным секундомером (0,1 с), окончательный результат записывается в виде:

(15,4 ± 0,3) с, α = 0,05.

Часто при проведении спортивных измерений возникает вопрос: какое количество измерений надо произвести, чтобы получить результат с заданной точностью? Например, сколько необходимо выполнить прыжков в длину с места при оценке скоростно-силовых способностей, чтобы с 95%-й вероятностью определить средний результат, отличающийся от истинного значения не более, чем на 1 см? Если измеряемая величина является случайной и подчиняется нормальному закону распределения, то количество измерений (объем выборки) находится по формуле:

(7)

где d - отличие выборочного среднего результата от его истинного значения, то есть точность измерения, которая задается заранее.

В формуле (7) выборочное стандартное отклонение S рассчитывается на основе определенного количества предварительно проведенных измерений.

6. Средства измерений

Средства измерений - это технические устройства для измерения единиц физических величин, имеющие нормированные погрешности. К средствам измерений относятся: меры, датчики-преобразователи, измерительные приборы, измерительные системы.

Мерой называется средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера (линейки, гири, электрические сопротивления и др.).

Датчиком-преобразователем называется устройство для обнаружения физических свойств и преобразования измерительной информации в форму, удобную для обработки, хранения и передачи (концевые выключатели, переменные сопротивления, фоторезисторы и др.).

Измерительные приборы - это средства измерений, позволяющие получить измерительную информацию в форме, удобной для восприятия пользователем. Они состоят из преобразовательных элементов, образующих измерительную цепь, и отсчетного устройства. В практике спортивных измерений широко применяются электромеханические и цифровые приборы (амперметры, вольтметры, омметры и др.).

Измерительные системы состоят из функционально объединенных средств измерения и вспомогательных устройств, соединенных каналами связи (система измерения межзвенных углов, усилий и т. п.).

С учетом применяемых методов средства измерений подразделяются на контактные и бесконтактные. Контактные средства предполагают непосредственное взаимодействие с телом испытуемого или спортивным снарядом. Бесконтактные средства основаны на светорегистрации. Например, ускорение спортивного снаряда может быть измерено при помощи контактных средств с использованием датчиков-акселерометров или бесконтактных средств с использованием стробосъемки.

В последнее время появились мощные автоматизированные измерительные системы, такие, как система распознавания и оцифровки движений человека MoCap (motion capture - захват движения). Данная система представляет собой набор датчиков, прикрепляемых к телу спортсмена, информация с которых поступает на компьютер и обрабатывается соответствующим программным обеспечением. Координаты каждого датчика пеленгуются специальными детекторами 500 раз в секунду. Система обеспечивает точность измерения пространственных координат не хуже 5 мм.

Подробно средства и методы измерений рассматриваются в соответствующих разделах теоретического курса и практикума по спортивной метрологии.

7. Единство измерений

Единство измерений представляет собой такое состояние измерений, при котором обеспечивается их достоверность, а значения измеряемых величин выражаются в узаконенных единицах. Единство измерений базируется на правовых, организационных и технических основах.

Правовые основы обеспечения единства измерений представлены законом Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений», принятым в 1993 г. Основные статьи закона устанавливают: структуру государственного управления обеспечения единства измерений; нормативные документы по обеспечению единства измерений; единицы величин и государственные эталоны единиц величин; средства и методики измерений.

Организационные основы обеспечения единства измерений заключаются в работе метрологической службы России, которая состоит из государственной и ведомственных метрологических служб. Ведомственная метрологическая служба есть и в спортивной области.

Технической основой обеспечения единства измерений является система воспроизведения определенных размеров физических величин и передачи информации о них всем без исключения средствам измерений в стране.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие элементы включает в себя система измерения физических величин?
2. На какие виды делятся измерения?
3. Какие единицы измерений входят в Международную систему единиц?
4. Какие внесистемные единицы измерений наиболее часто используются в спортивной практике?
5. Какие известны шкалы измерений?
6. Что такое точность и погрешность измерений?
7. Какие существуют виды погрешности измерений?
8. Как устранить или уменьшить погрешность измерений?
9. Как рассчитать погрешность и записать результат прямого измерения?
10. Как найти количество измерений для получения результата с заданной точностью?
11. Какие существуют средства измерений?
12. Что является основами обеспечения единства измерений?

Методы спортивной метрологии.

Роль спортивной метрологии в физической культуре и спорте.

Измерение физических величин.

Параметры, измеряемые в физической культуре и спорте

Шкалы измерений

Точность измерений.

1.1. Предмет и задачи курса «Спортивная метрология»

В повседневной практике человечества и каждого индивида измерение вполне обычная процедура. Измерение наряду с вычислением непосредственно связано с материальной жиз­нью общества, так как оно получило развитие в процессе прак­тического освоения мира человеком. Измерение, так же как счет и вычисление, стало неотъемлемой частью общественно­го производства и распределения, объективной отправной точ­кой для появления математических дисциплин, и в первую очередь геометрии, а отсюда и необходимой предпосылкой развития науки и техники.

В самом начале, в момент своего возникновения, измере­ния, сколь бы различными они ни были, носили, естествен­но, элементарный характер. Так, исчисление множества пред­метов определенного вида основывалось на сравнении с числом пальцев. Измерение длины тех или иных предметов строилось на сравнении с длиной пальца руки, стопы или шага. Этот доступный способ являлся изначально в буквальном смысле «экспериментальной вычислительной и измерительной тех­никой». Он уходит своими корнями в далекую эпоху «дет­ства» человечества. Прошли целые столетия, прежде чем раз­витие математики и других наук, появление измерительной техники, вызванное потребностями производства и торгов­ли, коммуникациями между отдельными людьми и народа­ми, привело и появлению хорошо разработанных и диффе­ренцированных методов и технических средств в самых различных областях знания.

Сейчас трудно себе представить какую-либо деятельность человека, в которой не использовались бы измерения. Изме­рения ведутся в науке, промышленности, сельском хозяйстве, медицине, торговле, военном деле, при охране труда и окру­жающей среды, в быту, спорте и т.д. Благодаря измерениям возможно управление технологическими процессами, промыш­ленными предприятиями, подготовкой спортсменов и народ­ным хозяйством в целом. Резко возросли и продолжают расти требования к точности измерений, быстроте получения изме­рительной информации, измерению комплекса физических величин. Увеличивается число сложных измерительных систем и измерительно-вычислительных комплексов.

Измерения на определенном этапе своего развития приве­ли к возникновению метрологии, которая в настоящее время определяется как «наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности». Это опреде­ление свидетельствует о практической направленности мет­рологии, которая изучает измерения физических величин и образующие эти измерения элементы и разрабатывает необ­ходимые правила и нормы. Слово «метрология» составлено из двух древнегреческих: «метро» - мера и «логос» - учение, или наука.

Современная метрология включает три составляющие: за­конодательную метрологию, фундаментальную (научную) и практическую (прикладную) метрологию.

Спортивная метрология - это наука об измерениях в физи­ческом воспитании и спорте. Ее следует рассматривать, как кон­кретное приложение к обшей метрологии, как одну из состав­ляющих практической (прикладной) метрологии. Однако как учебная дисциплина спортивная метрология выходит за рам­ки общей метрологии по следующим обстоятельствам. В физи­ческом воспитании и спорте некоторые из физических вели­чин (время, масса, длина, сила), на проблемах единства и точности, которых сосредоточивают основное внимание спе­циалисты-метрологи, также подлежат измерению. Но более все­го специалистов этой отрасли интересуют педагогические, психологические, социальные, биологические показатели, которые по своему содержанию нельзя назвать физическими. Методикой их измерений общая метрология практически не занимается, и поэтому возникла необходимость разработки специальных измерений, результаты которых всесторонне ха­рактеризуют подготовленность спортсме­нов. Особенностью спортивной метрологии является то, что в ней термин «измерение» трактуется в самом широком смыс­ле, так как в спортивной практике недостаточно измерять толь­ко физические величины. В физической культуре и спорте кро­ме измерений длины, высоты, времени, массы и других физических величин приходится оценивать техническое мас­терство, выразительность и артистичность движений и тому подобные нефизические величины.

Предметом спортивной метрологии являются комплексный контроль в физическом воспитании и спорте и использование его результатов в планировании подготовки спортсменов и физ­культурников.

Вместе с развитием фундаментальной и практической метро­логии происходило становление законодательной метрологии.

Законодательная метрология - это раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообуслов­ленных общих правил, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направ­ленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений.

Законодательная метрология служит средством государствен­ного регулирования метрологической деятельности посредством законов и законодательных положений, которые вводятся в практику через Государственную метрологическую службу и метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц. К области законодательной метрологии относятся испытания и утверждение типа средств измерений и их поверка, и калибровка, сертификация средств измерений, государственный метрологический контроль и надзор за сред­ствами измерений.

Метрологические правила и нормы законодательной метро­логии гармонизированы с рекомендациями и документами со­ответствующих международных организаций. Тем самым зако­нодательная метрология способствует развитию международных экономических и торговых связей и содействует взаимопони­манию в международном метрологическом сотрудничестве.

Методы спортивной метрологии

Основным методом спортивной метрологии является комплексный контроль. Выделяют три основные формы контроля за состоянием спортсмена:

А) Этапный контроль, цель которого состоит в оценке этапного состояния спортсмена;

Б) Текущий контроль, основной задачей котрого является определение повседневных, текущих колебаний в состоянии спортсмена;

В) Оперативный контроль, целью котрого является экспресс-оценка состояния спортсмена в данный момент.

Конечная цель комплексного контроля – получить надежную и достоверную информацию для управления процессом физического воспитания и спортивной подготовки.

Во всех случаях контроля для суждения о состоянии спортсмена используют какие-либо измерения или испытания – тесты. Построение и выбор их должны удовлетворять определенным требованиям, которые рассматриваются в так называемой теории тестов . После того, как тестирование проведено, его результаты необходимо оценить. Анализ различных способов оценки дается в так называемой теории оценок . Теория тестов и теория оценок являются теми разделами спортивной метрологии, которые имеют общее значение для всех конкретных разновидностей контроля, используемых в процессе подготовки спортсмена.

Кроме того, существенным подспорьем в анализе данных служат методы математической статистики, так же используемые в спортивной метрологии. Данные методы используются для анализа результатов массовых повторяющихся измерений. Результаты таких измерений всегда отличаются друг от друга из-за многочисленных причин, не поддающихся контролю и варьирующих от одного измерения к другому. Массовые измерения однородных объектов, обладающих качественной общностью, обнаруживают определенные закономерности. При использовании статистических методов выделяют три этапа исследования:

А) статистическое наблюдение, представляющее собой планомерный, научно обоснованный сбор данных, характеризующих изучаемый объект;

Б) статистическая сводка и группировка, являющиеся важной подготовительной частью к статистическому анализу данных;

В) анализ статистического материала, являющийся завершающим этапом статистического подхода.

Похожая информация.

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО СПОРТИВНОЙ МЕТРОЛОГИИ

Тема 1. Основы теории измерений
Тема 2. Измерительные системы и их использование в физическом воспитании и спорте
Тема 3. Тестирование общей физической подготовленности занимающихся физкультурой и спортом
Тема 4. Математическая статистика, ее основные понятия и приложение к физической культуре и спорту
Тема 5. Определение основных статистических показателей (ОСП) для характеристики совокупностей
Тема 6. Определение доверительного интервала для среднего значения генеральной совокупности по Стьюденту
Тема 7. Сравнение групп методом Стьюдента
Тема 8. Функциональная и корреляционная взаимосвязи
Тема 9. Регрессионный анализ
Тема 10. Определение надежности тестов
Тема 11. Определение информативности и добротности теста
Тема 12. Основы теории оценок и норм
Тема 13. Определение норм в спорте
Тема 14. Количественная оценка качественных характеристик
Тема 15. Контроль за силовыми качествами
Тема 16. Контроль за уровнем развития гибкости и выносливости
Тема 17. Контроль за объемом и интенсивностью нагрузки
Тема 18. Контроль за эффективностью техники
Тема 19. Основы теории управляемых систем
Тема 20. Комплексная оценка физической подготовленности исследуемых

Теоретические сведения

Измерением (в широком смысле слова) называют установление соответствия между изучаемыми явлениями, с одной стороны, и числами, с другой.
Чтобы результаты разных измерений можно было сравнивать друг с другом, они должны быть выражены в одних и тех же единицах. В 1960 г. на Международной генеральной конференции по мерам и весам была принята Международная система единиц, получившая сокращенное название СИ.
СИ в настоящее время включает семь независимых друг от друга основных единиц, из которых в качестве производных выводят единицы остальных физических величин. Производные единицы определяются на основе формул, связывающих между собой физические величины.
Например, единица длины (метр) и единица времени (секунда) - основные единицы, а единица скорости (метр за секунду [м/с]) - производная. Совокупность выбранных основных и образованных с их помощью производных единиц для одной или нескольких областей измерения называется системой единиц (табл. 1).

Таблица 1

Основные единицы СИ

Для образования кратных и дольных единиц должны использоваться специальные приставки (табл. 2).

Таблица 2

Множители и приставки

Все производные величины имеют свои размерности.
Размерностью называется выражение, связывающее производную величину с основными величинами системы при коэффициенте пропорциональности, равном единице. Например, размерность скорости равна , а размерность ускорения равна
Никакое измерение не может быть выполнено абсолютно точно. Результат измерения неизбежно содержит погрешность, величина которой тем меньше, чем точнее метод измерения и измерительный прибор.
Основная погрешность - это погрешность метода измерения или измерительного прибора, которая имеет место в нормальных условиях их применения.
Дополнительная погрешность - это погрешность измерительного прибора, вызванная отклонением условий его работы от нормальных.
Величина D А=А-А0, равная разности между показанием измерительного прибора (А) и истинным значением измеряемой величины (А0), называется абсолютной погрешностью измерения. Она измеряется в тех же единицах, что и сама измеряемая величина.
Относительная погрешность - это отношение абсолютной погрешности к значению измеряемой величины:

В тех случаях, когда оценивается не погрешность измерения, а погрешность измерительного прибора, за максимальное значение измеряемой величины принимают предельное значение шкалы прибора. В таком понимании наибольшее допустимое значение D Па, выраженное в процентах, определяет в нормальных условиях работы класс точности измерительного прибора.
Систематической называется погрешность, величина которой не меняется от измерения к измерению. В силу этой своей особенности систематическая погрешность часто может быть предсказана заранее или в крайнем случае обнаружена и устранена по окончании процесса измерения.
Тарированием (от нем. tarieren) называется проверка показаний измерительных приборов путем сравнения с показаниями образцовых значений мер (эталонов*) во всем диапазоне возможных значений измеряемой величины.
Калибровкой называется определение погрешностей или поправка для совокупности мер (например, набора динамометров). И при тарировании, и при калибровке к входу измерительной системы вместо спортсмена подключается источник эталонного сигнала известной величины. Например, тарируя установку для измерения усилий, на тензометрической платформе поочередно помещают грузы весом 10, 20, 30 и т.д. килограммов.
Рандомизацией (от англ. random - случайный) называется превращение систематической погрешности в случайную. Этот прием направлен на устранение неизвестных систематических погрешностей. По методу рандомизации измерение изучаемой величины производится несколько раз. При этом измерения организуют так, чтобы постоянный фактор, влияющий на их результат, действовал в каждом случае по-разному. Скажем, при исследовании физической работоспособности можно рекомендовать измерять ее многократно, всякий раз меняя способ задания нагрузки. По окончании всех измерений их результаты усредняются по правилам математической статистики.
Случайные погрешности возникают под действием разнообразных факторов, которые ни предсказать заранее, ни точно учесть не удается.
Стандарт - нормативно-технический документ, устанавливающий комплекс норм, правил, требований к объекту стандартизации и утвержденный компетентным органом - Государственным комитетом по стандартизации. В спортивной метрологии объектом стандартизации являются спортивные измерения.

Шкала наименований (номинальная шкала)

Это самая простая из всех шкал. В ней числа выполняют роль ярлыков и служат для обнаружения и различения изучаемых объектов (например, нумерация игроков футбольной команды). Числа, составляющие шкалу наименований, разрешается менять местами. В этой шкале нет отношений типа "больше - меньше", поэтому некоторые полагают, что применение шкалы наименований не стоит считать измерением. При использовании шкалы наименований могут проводится только некоторые математические операции. Например, ее числа нельзя складывать и вычитать, но можно подсчитывать, сколько раз (как часто) встречается то или иное число.

Шкала порядка

Есть виды спорта, где результат спортсмена определяется только местом, занятым на соревнованиях (например, единоборства). После таких соревнований ясно, кто из спортсменов сильнее, а кто слабее. Но насколько сильнее или слабее, сказать нельзя. Если три спортсмена заняли соответственно первое, второе и третье места, то каковы их различия в спортивном мастерстве, остается неясным: второй спортсмен может быть почти равен первому, а может быть существенно слабее его и быть почти одинаковым с третьим. Места, занимаемые в шкале порядка, называются рангами, а сама шкала называется ранговой или неметрической. В такой шкале составляющие ее числа упорядочены по рангам (т.е. занимаемым местам), но интервалы между ними точно измерить нельзя. В отличие от шкалы наименований шкала порядка позволяет не только установить факт равенства или неравенства измеряемых объектов, но и определить характер неравенства в виде суждений: "больше - меньше", "лучше - хуже" и т.п.
С помощью шкал порядка можно измерять качественные, не имеющие строгой количественной меры, показатели. Особенно широко эти шкалы используются в гуманитарных науках: педагогике, психологии, социологии. К рангам шкалы порядка можно применять большее число математических операций, чем к числам шкалы наименований.

Шкала интервалов

Это такая шкала, в которой числа не только упорядочены по рангам, но и разделены определенными интервалами. Особенность, отличающая ее от описываемой дальше шкалы отношений, состоит в том, что нулевая точка выбирается произвольно. Примерами могут быть календарное время (начало летоисчисления в разных календарях устанавливалось по случайным причинам), суставной угол (угол в локтевом суставе при полном разгибании предплечья может приниматься равным либо нулю, либо 180о), температура, потенциальная энергия поднятого груза, потенциал электрического поля и др.
Результаты измерений по шкале интервалов можно обрабатывать всеми математическими методами, кроме вычисления отношений. Данные шкалы интервалов дают ответ на вопрос "на сколько больше?", но не позволяют утверждать, что одно значение измеренной величины во столько-то раз больше или меньше другого. Например, если температура повысилась с 10о до 20о по Цельсию, то нельзя сказать, что стало в два раза теплее.

Шкала отношений

Эта шкала отличается от шкалы интервалов только тем, что в ней строго определено положение нулевой точки. Благодаря этому шкала отношений не накладывает никаких ограничений на математический аппарат, используемый для обработки результатов наблюдений.
В спорте по шкале отношений измеряют расстояние, силу, скорость и десятки других переменных. По шкале отношений измеряют и те величины, которые образуются как разности чисел, отсчитанных по шкале интервалов. Так, календарное время отсчитывается по шкале интервалов, а интервалы времени - по шкале отношений.
При использовании шкалы отношений (и только в этом случае!) измерение какой-либо величины сводится к экспериментальному определению отношения этой величины к другой подобной, принятой за единицу. Измеряя длину прыжка, мы узнаем во сколько раз эта длина больше длины другого тела, принятого за единицу длины (метровой линейки в частном случае); взвешивая штангу, определяем отношение ее массы к массе другого тела - единичной гири "килограмма" и т.п. Если ограничиться только применением шкал отношений, то можно дать другое (более узкое, частное) определение измерению: измерить какую-либо величину - значит найти опытным путем ее отношение к соответствующей единице измерения.
В таблице 3 приведены сводные сведения о шкалах измерения.

Таблица 3

Шкалы измерений.

Шкала	Основные операции	Допустимые математические процедуры	Примеры
Наименований	Установление равенства	Число случаев Мода Корреляция случайных событий (тетра- и полихорические коэффициенты корреляции)	Нумерация спортсменов в команде Результаты жеребьевки
Порядка	Установление соотношений "больше" или "меньше"	Медиана Ранговая корреляция Ранговые критерии Проверка гипотез непараметрической статистикой	Место, занятое на соревнованиях Результаты ранжирования спортсменов группой экспертов
Интервалов	Установление равенства интервалов	Все методы статистики кроме определения отношений	Календарные даты (время) Суставной угол Температура тела
Отношений	Установление равенства отношений	Все методы статистики	Длина, сила, масса, скорость и т.п.

Ход работы

ЗАДАЧА 1.
Определить в единицах СИ:
а) мощность (N) электрического тока, если его напряжение U=1кВ, сила I=500 mA;
б) среднюю скорость (V) объекта, если за время t=500 мс им пройдено расстояние S=10 см;
в) силу тока (I), протекающего в проводнике с сопротивлением 20 кОм, если к нему приложено напряжение 100 мВ.
Решение:

Вывод:

Вывод:

ЗАДАЧА 4.
Определить точное значение показателя становой силы у исследуемого, если максимальное значение шкалы станового динамометра Fmax=450 кГ, класс точности прибора КТП=1,5%, а показанный результат Fизм=210 кГ.
Решение:

или

Вывод:

ЗАДАЧА 5.
Рандомизировать показания своей частоты сердечных сокращений в покое, измерив ее трижды за 15 с.
Р1= ; р2= ; р3= .
Решение:


Вывод:

Контрольные вопросы

1. Предмет и задачи спортивной метрологии.
2. Понятие об измерении и единицах измерения.
3. Шкалы измерений.
4. Основные, дополнительные, производные единицы СИ.
5. Размерность производных величин.
6. Понятие о точности измерений и погрешностях.
7. Виды погрешностей (абсолютная, относительная, систематическая и случайная).
8. Понятие о классе точности прибора, тарировке, калибровке и рандомизации.

Теоретическая часть

При совершенствовании спортивной техники, мы за эталонную технику выбираем техническое выполнение упражнения выдающимся спортсменом (часто за эталон берут технику мирового рекордсмена). При этом большое значение имеет не внешняя картина перемещений атлета, а внутреннее содержание движения (усилия, приложенные к опоре или снаряду). Поэтому спортивный результат во многом зависит от того, как точно мы копируем усилия, скорость изменения усилий, что в свою очередь зависит от способностей наших анализаторов воспринимать и оценивать эти параметры. В связи с тем, что точность аппаратурной регистрации различных биомеханических параметров значительно превышает разрешающую способность наших анализаторов, появляется возможность использовать приборы, как дополнение к нашим органам чувств.
Метод электротензометрии позволяет зарегистрировать и измерить усилия, развиваемые спортсменом при выполнении различных физических упражнений.

Состав сложной измерительной системы - это перечень всех элементов, в нее входящих и направленных на решение задачи измерения (рис. 1).


Рис.1. Схема состава измерительной системы.

Ход работы

1. Получить тензограмму своего прыжка вверх с места. Перо самописца отклоняется пропорционально усилиям на платформе (рис. 2).
2. Провести изолинию (нулевую линию).
3. Обработать тензограмму, выделив фазы упражнения:

function PlayMyFlash(cmd, arg){ if (cmd=="play") {Tenzo_.GotoFrame(arg); Tenzo_.Play();} else Tenzo_.TGotoFrame(cmd, 2); Tenzo_.TPlay(cmd); }

Вес!!! Подсед!!! Отталкивание!!! Полет и приземление!!!;

F0!!! Fmin!!! Fmax!!! Фаза полета
Фаза развиваемого усилия Фаза отталкивания

Рис. 2. Тензограмма прыжка вверх с места:

1. F0 - вес испытуемого;
2. t0 - начало подседа;
3. Отталкивание
4. F min - минимально развиваемое усилие при подседе;
5. Fmax - максимально развиваемое усилие при отталкивании;
6. - фаза отталкивания;
7. - фаза полета.

4. Определить масштаб усилия по вертикали по формуле
:
5. Определить масштаб времени по горизонтальной оси по формуле:

6. Определить время отталкивания от тензоплатформы по формуле:
(3)
7. Определить время развития максимального усилия по формуле:
(4)
8. Определить время полета по формуле:
(5)

(У высококвалифицированных спортсменов при хорошей технике выполнения прыжка время полета составляет 0,5 с и более).

9. Определить минимально развиваемое усилие по формуле:
(6)
10. Определить максимально развиваемое усилие по формуле:
(7)
(У высококвалифицированных прыгунов в длину максимально развиваемое усилие при отталкивании может составлять до 1000 кг).
11. Определить градиент силы по формуле:

(8)
Градиент силы - это скорость изменения силы в единицу времени.

12. Определить импульс силы по формуле:
(9)
Импульс силы - действие силы в течение какого-то времени.
P=
От величины импульса силы прямо пропорционально зависит высота прыжка по Абалакову, а, следовательно, можно говорить о корреляционной зависимости между показателями импульса силы и выполнением теста Абалакова.

Контрольные вопросы

9. Что называется составом измерительной системы?
10. Что такое структура измерительной системы?
11. В чем отличие простой измерительной системы от сложной?
12. Виды телеметрии и их применение в физическом воспитании и спорте.

Теоретические сведения

Слово тест в переводе с английского означает "проба" или "испытание". Впервые этот термин появился в научной литературе в конце прошлого века, а широкое распространение получил после опубликования в 1912 г. американским психологом Э.Торндайком работы по применению теории тестов в педагогике.
В спортивной метрологии тестом называют измерение или испытание, проводимое с целью определения состояния или характеристик спортсмена, которое удовлетворяет следующим специальным метрологическим требованиям:
1. Стандартизованность - соблюдение комплекса мер, правил и требований к тесту, т.е. процедура и условия проведения тестов должны быть одинаковыми во всех случаях использования их. Все тесты стараются унифицировать и стандартизировать.
2. Информативность - это свойство теста отражать то качество системы (например, спортсмена), для которого он используется.
3. Надежность теста - степень совпадения результатов при повторном тестировании одних и тех же людей в одинаковых условиях.
4. Наличие системы оценок .

Ход работы

1. Постановка задачи тестирования. Каждый из студентов должен протестироваться по всем 10-ти предлагаемым тестам и свои результаты записать в свою строку групповой таблицы 4.
2. Тестирование каждого исследуемого производится в следующей последовательности:
Тест 1. Вес измеряется на медицинских весах, которые предварительно уравновешиваются на нуле с помощью подвижных балансов. Величина веса (Р) отсчитывается на шкале с точностью до 1 кг и записывается в столбец 3 таблицы.

Тест 2. Рост измеряется с помощью ростомера. Величина роста (H) отсчитывается по сантиметровой шкале с точностью до 1 см и записывается в столбец 4 таблицы.

Тест 3. Индекс Кетле, характеризующий весо-ростовое соотношение, рассчитывается путем деления веса исследуемого в граммах на рост в сантиметрах. Результат записывается в столбец 5.
Тест 4. Пальпаторно в области лучевой или сонной артерии измеряется частота сердечных сокращений в состоянии относительного покоя (ЧССп) за 1 мин и записывается в столбец 6. Затем испытуемый выполняет 30 полных приседаний (темп - одно приседание в секунду) и сразу после нагрузки измеряется ЧСС за 10 с. После 2-х минут отдыха измеряется ЧСС восстановления за 10 с. Затем результаты пересчитываются за 1 мин и записываются в столбцы 7 и 8.
Тест 5. Расчет индекса Руфье производится по формуле:

R=

Тест 6. Становым динамометром измеряется с точностью до ± 5 кГ максимальная сила мышц-разгибателей спины. При выполнении теста руки и ноги должны быть прямые, ручка динамометра - на уровне коленных суставов. Результат записывается в столбец 10.
Тест 7. Измерение уровня гибкости проводится в линейных единицах по методу Н.Г.Озолина в собственной модификации с помощью специально сконструированного прибора. Исследуемый садится на мат, упираясь ногами в перекладину прибора, руками, вытянутыми вперед, захватывает ручку измерительной ленты; спина и руки образуют угол 90о. Фиксируется длина ленты, вытянутой из прибора. При наклоне исследуемого вперед до упора вновь измеряется длина ленты. Расчет показателя гибкости ведется в условных единицах по формуле:

Результаты заносятся в столбец 11.
Тест 8. Перед исследуемым на столе лежит доска, разделенная на 4 квадрата (20х20 см). Исследуемый касается квадратов кистью руки в следующей последовательности: левый верхний - правый нижний - левый нижний - правый верхний (для правшей). Учитывается число правильно выполненных циклов движения за 10 с. Результаты заносятся в столбец 12.
Тест 9. Для определения уровня быстроты используется измерительный комплекс, состоящий из контактной платформы, интерфейса, компьютера и монитора. Исследуемый выполняет бег на месте с высоким подниманием бедра в течение 10 с (теппинг-тест). Сразу по окончании бега на экране монитора строится гистограмма параметров опорных и безопорных фаз, выводятся данные о количестве шаговых циклов, средние значения времени опоры и времени полета в мс. Основным критерием оценки уровня развития быстроты служит время опоры, так как этот параметр более стабилен и информативен. Результаты заносятся в столбец 13.
Тест 10. Для оценки скоростно-силовых качеств используется модификация теста Абалакова с применением измерительного комплекса. По команде с монитора исследуемый выполняет на контактной платформе прыжок вверх с места со взмахом руками. После приземления в реальном времени рассчитывается время полета в мс и высота прыжка в см. Критерием оценки результатов данного теста служит время полета, так как между данным показателем и высотой прыжка выявлена прямая функциональная зависимость. Результаты заносятся в столбец 14.
3. В конце занятия каждый исследуемый диктует свои результаты всей группе. Таким образом, каждый студент заполняет таблицу результатов ОФП по всей подгруппе, которую в дальнейшем будет использовать в качестве экспериментального материала для освоения методов обработки результатов тестирования и для выполнения индивидуальных заданий по РГР.

ТЕМА 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТАТИСТИКА, ЕЕ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРИЛОЖЕНИЕ К ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЕ И СПОРТУ

1. Возникновение и развитие математической статистики
Издавна в каждом государстве соответствующими органами власти собирались сведения о числе жителей по полу, возрасту, занятости в различных сферах труда, наличии различных воинов, вооружения, денежных средств, орудий труда, средств производства и т.д. Все эти и подобные им данные называются статистическими. С развитием государства и международных отношений возникла необходимость анализа статистических данных, их прогнозирование, обработка, оценка достоверности основанных на их анализе выводов и т.п. К решению таких задач стали привлекаться математики. Таким образом, в математике сформировалась новая область - математическая статистика, изучающая общие закономерности статистических данных или явлений и взаимосвязи между ними.
Сфера применения математической статистики распространилась во многие, особенно экспериментальные, науки. Так появились экономическая статистика, медицинская статистика, биологическая статистика, статистическая физика и т.д. С появлением быстродействующих ЭВМ возможность применения математической статистики в различных сферах деятельности человека постоянно возрастает. Расширяется ее приложение и к области физической культуры и спорта. В связи с этим основные понятия, положения и некоторые методы математической статистики рассматриваются в курсе “Спортивная метрология”. Остановимся на некоторых основных понятиях математической статистики.
2. Статистические данные
В настоящее время под термином "статистические данные" понимают все собранные сведения, которые в дальнейшем подвергаются статистической обработке. В различной литературе их еще называют: переменные, варианты, величины, даты и т.д. Все статистические данные можно разделить на: качественные, труднодоступные для измерения (имеется, не имеется; больше, меньше; сильно, слабо; красный, черный; мужской, женский и т.д.), и количественные , которые можно измерить и представить в виде числа общих мер (2 кг, 3 м, 10 раз, 15 с и т.д.); точные , величина или качество которых не вызывают сомнений (в группе 6 человек, 5 столов, деревянный, металлический, мужской, женский и т.д.), и приближенные , величина или качество которых вызывает сомнение (все измерения: рост 170 см, вес 56 кг, результат бега на 100 м - 10,3 с и т.д.; близкие понятия - синий, голубой, мокрый, влажный и т.д.); определенные (детерминированные) , причины появления, не появления или изменения которых известны (2 + 3 = 5, подброшенный вверх камень обязательно будет иметь вертикальную скорость, равную 0 и т.д.), и случайные , которые могут появляться и не появляться или не все причины изменения которых известны (пойдет дождь или нет, родится девочка или мальчик, команда выиграет или нет, в беге на 100 м - 12,2 с, принятая нагрузка вредна или нет). В большинстве случаев в физической культуре и спорте мы имеем дело с приближенными случайными данными.
3. Статистические признаки, совокупности
Общее свойство, присущее нескольким статистическим данным, называют их статистическим признаком . Например, рост игроков команды, результат бега на 100 м, принадлежность к виду спорта, частота сердечных сокращений и т.д.
Статистической совокупностью называют несколько статистических данных, объединенных в группу хотя бы одним статистическим признаком. Например, 7.50, 7.30, 7.21, 7.77 - результаты прыжка в длину в метрах у одного спортсмена; 10, 12, 15, 11, 11 - результаты подтягивания на перекладине пяти студентов и т.д. Число данных в статистической совокупности называют ее объемом и обозначают n . Различают следующие совокупности:
бесконечные - n (масса планет Вселенной, число молекул и т.д.);
конечные - n - конечное число;
большие - n > 30;
малые - n 30;
генеральные - содержащие все данные, обусловленные постановкой задачи;
выборочные - части генеральных совокупностей.
Например, пусть рост студентов 17-22 лет в РФ - генеральная совокупность, тогда рост студентов КГАФК, всех студентов города Краснодара или студентов II курса - выборки.
4. Кривая нормального распределения
При анализе распределения результатов измерений всегда делают предположение о том распределении, которое имела бы выборка, если бы число измерений было очень большим. Такое распределение (очень большой выборки) называют распределением генеральной совокупности или теоретическим , а распределение экспериментального ряда измерений - эмпирическим .
Теоретическое распределение большинства результатов измерений описывается формулой нормального распределения, которая впервые была найдена английским математиком Муавром в 1733 г.:


Это математическое выражение распределения позволяет получить в виде графика кривую нормального распределения (рис.3), которая симметрична относительно центра группирования (обычно это значение, моды или медианы). Эта кривая может быть получена из полигона распределения при бесконечно большом числе наблюдений и интервалов. Заштрихованная область графика на рисунке 3 отражает процент результатов измерений, находящихся между значениями х1 и х2.

Рис. 3. Кривая нормального распределения.
Введя обозначение , которое называется нормированным или стандартизованным отклонением, получают выражение для нормированного распределения:

На рисунке 4 представлен график этого выражения. Он примечателен тем, что для него =0 и s =1 (результат нормировки). Вся площадь, заключенная под кривой, равна 1, т.е. она отражает все 100% результатов измерений. Для теории педагогических оценок и особенно для построения шкал представляет интерес процент результатов, лежащих в различном диапазоне варьирования, или колеблемости.
function PlayMyFlash(cmd){ Norm_.SetVariable("Counter", cmd); Norm_.GotoFrame(2); Norm_.Play(); }

1 !!! 1,96 !!! 2 !!! 2,58 !!! 3 !!! 3,29 !!!

Рис.4. Кривая нормированного распределения с процентным выражением распределений относительных и накопленных частностей:
под первой осью абсцисс - среднее квадратическое отклонение;
под второй (нижней) - накопленный процент результатов.

Для оценки варьирования результатов измерений используют следующие соотношения:

5. Виды представления статистических данных
После того, как определена выборка и стали известны ее статистические данные (варианты, даты, элементы и т.д.), возникает необходимость представить эти данные в удобном для решения задачи виде. На практике используют много различных видов представления статистических данных. Наиболее часто употребляют следующие:
а) текстовый вид;
б) табличный вид;
в) вариационный ряд;
г) графический вид.
Если при статистической обработке совокупности безразлично в какой последовательности записывать данные, то бывает удобным расположить эти данные (варианты) в соответствии с их значением либо по возрастанию xi ~ 2, 3, 3, 5, 5, 6, 6, 6, 6, 7 (неубывающая совокупность), либо по убыванию xi ~ 7, 6, 6, 6, 6, 5, 5, 3, 3, 3, 2 (невозростающая совокупность). Этот процесс называется ранжированием . А место каждой варианты в ранжированном ряду называется рангом .

Тема: Графическое изображение вариационных рядов
Цель: научиться строить графики (гистограмму и полигон) распределения частот в вариационном ряду и делать по ним выводы об однородности группы по заданному признаку.
Теоретические сведения
Анализ вариационных рядов упрощается при графическом представлении. Рассмотрим основные графики вариационного ряда.
1. Полигон распределения (рис. 5-I). На графике ѕ это кривая, отражающая по оси абсцисс (Х) средние значения классов, а по оси ординат (Y) ѕ частоту накопления величин в каждом классе.
2. Гистограмма распределения (рис. 5 -II). График, выполненный в прямоугольной системе координат и отражающий по оси ординат (Y) частоту накопления величин в классе, а по оси абсцисс (Х) - границы классов.
Графическое представление результатов измерений не только существенно облегчает анализ и выявление скрытых закономерностей, но и позволяет правильно выбрать последующие статистические характеристики и методы.
ПРИМЕР 4.1.
Построить графики вариационного ряда 20 исследуемых по показателям результатов тестирования прыжка в высоту, если данные выборки таковы:
xi, см ~ 185, 170, 190, 170, 190, 178, 188, 175, 192, 178, 176, 180, 185, 176, 180, 192, 190, 190, 192, 194.
Решение:
1. Производим ранжирование вариационного ряда в порядке неубывания:
xi, см ~ 170,170, 174, 176, 176, 178, 178, 180, 180, 185, 185, 188, 190, 190, 190, 190, 192, 192, 192, 194.
2. Определяем минимальное и максимальное значение вариант и рассчитываем размах вариационного ряда по формуле:
R=Xmax - Xmin (1)
R=194-170=24 см
3. Рассчитываем число классов по формуле Стерджеса:
(2)
N=1+3,31 Ч 1,301=5,30631 5
4. Рассчитываем интервал каждого класса по формуле:
(3)

5. Составляем таблицу границ классов.

М. А. Годик

СПОРТИВНАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

Допущено Государственным комитетом СССР

по физической культуре и спорту в качестве учебника

для институтов физической культуры

«ФИЗКУЛЬТУРА И СПОРТ»

ББК 75.1

Рецензенты:

доктор биологических наук, профессор А. Н. ЛАПУТИН, доктор педагогических наук, профессор И. П. РАТОВ

Годик М. А.

Г59 Спортивная метрология: Учебник для институтов физ. культ. - М.: Физкультура и спорт, 1988.-

192 с, ил.

В учебнике излагаются метрологические основы комплексного контроля в физическом воспитании и спорте, технология и методика регистрации результатов измерений в тестах, измерения и оценки показателей соревновательной и тренировочной деятельности спортсменов, а также уровня их подготовленности.

Рассматриваются метрологические аспекты отбора, прогнозирования и моделирования в физическом воспитании и. спорте.

Для студентов институтов физической культуры.

© Издательство «Физкультура и спорт», 1988.

ПРЕДИСЛОВИЕ

При написании учебника «Спортивная метрология» автор исходил из того, что тренеры (преподаватели, инструкторы физического воспитания, оргработники) могут эффективно планировать содержание своей деятельности лишь при наличии постоянной информации о спортсмене (физкультурнике, спортивном коллективе и его деятельности). Обработка и анализ этой информации позволяют выбрать основные направления работы, качественно составлять планы и программы подготовки. Поэтому уже в главе 1 это положение раскрывается на конкретном примере взаимосвязи между тренировочными нагрузками и показателями, характеризующими подготовленность спортсменов.

Ключевыми в учебнике являются главы 2, 3 и 4, в которых изложены вопросы точности измерений, требований к тестам, оценке их результатов. Теоретический и особенно практический материал этих глав должен сформировать у студентов следующие основные правила: 1) стремиться к максимально возможной точности измерений, уметь определять величину, тип и причины ошибок, научиться устранять их; 2) из громадного количества тестов использовать только те, что соответствуют метрологическим требованиям.

Студент должен хорошо представлять, что вариативность результатов повторных измерений в любом тесте обусловливается тремя причинами. Первая - систематические и случайные погрешности в работе измерительной аппаратуры. Вторая - погрешности, возникающие вследствие нестандартности процедуры тестирования. И наконец, третья причина - это постоянная изменчивость функциональных систем организма спортсмена как социаль- но-биологического объекта.

Устранение погрешностей, вызванных двумя первыми причинами, обязательно. Третья причина - объективно существующая реальность, которая характеризует стабильность действий и функций спортсмена. Она может свидетельствовать об адаптационных процессах, происходящих в ходе тренировки. Устранить эту причину средствами метрологии невозможно, но знать ее и учитывать при планировании следует обязательно.

Усвоение этого раздела возможно только при наличии хорошего лабораторного практикума, содержание которого формируется на базе материала глав 6 и 7. Кроме практических занятий по спортивной метрологии полезными будут занятия на кафедрах специализации и медико-биологических кафедрах, в ходе которых следует проводить самые разнообразные измерения.

ности оперативного контроля как основы для постоянной коррекции нагрузки тренировочных занятий. При этом основные положения контроля технического и тактического мастерства, физических качеств, нагрузок раскрываются на примерах групп видов спорта (так, как это сделано в главе 9).

В этом учебнике нет раздела «Статистические методы обработки результатов измерений», так как в 1988 г. планируется выпуск специального учебного пособия по статистике в физическом воспитании и спорте.

При изложении ряда разделов курса использовались показатели (тесты, критерии), с содержанием и сущностью которых многие студенты первого курса незнакомы. Это относится прежде всего к биомеханическим, физиологическим, биохимическим тестам. Естественно, что подробная характеристика всем им будет дана при изучении соответствующих дисциплин. Но так как они изучаются после спортивной метрологии, то мы сочли целесообразным кратко, без углубления в специфические особенности, пояснить их суть как критериев комплексного контроля. Такое пояснение дано в справочном материале в конце учебника.

Для сохранения преемственности курса здесь использованы некоторые основные понятия и определения, авторами которых в учебнике «Спортивная метрология» (1982 г.) были проф. В.М.Зациорский и проф. В. Л. Уткин. Сохранена в основном и структура предыдущего учебника, так как оба они отражают содержание одной и той же программы.

Глава1 ВВЕДЕНИЕ В СПОРТИВНУЮ МЕТРОЛОГИЮ

1.1. ПРЕДМЕТ СПОРТИВНОЙ МЕТРОЛОГИИ

Спортивная метрология - это наука об измерениях в физиче-

ском воспитании и спорте. Ее нужно рассматривать как конкретное приложение к о б щ е й м е т р о л о г и и, основной задачей которой, как известно, является обеспечение точности и единства измерений. Однако как учебная дисциплина спортивная метрология выходит за рамки общей метрологии. Связано это со следующими обстоятельствами.

Во-первых, специалисты-метрологи основное внимание сосредоточивают на проблемах единства и точности измерений физи - ч е с к и х величин. К ним относятся: длина, масса, время, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества.

В физическом воспитании и спорте некоторые из этих величин (время, масса, длина, сила) также подлежат измерению. Но более всего специалистов нашей отрасли интересуют педагогические, психологические, социальные, биологические показатели, которые по своему содержанию нельзя назвать физическими. Методикой их измерений общая метрология практически не занимается, и поэтому возникла необходимость разработки специальных измерений, результаты которых всесторонне характеризуют подготовленность физкультурников и спортсменов.

Во-вторых, в учебном плане институтов физической культуры есть разделы из других областей знаний (например, основы математической статистики, инструментальные методы, экспертные оценки). Объем преподавания этих разделов невелик, а по своей сути они весьма близки к вопросам, которыми должны заниматься метрологи в спорте. Вводить эти разделы знаний в качестве специальных предметов в учебный план и создавать соответствующие кафедры нецелесообразно. Поэтому их включили в курс спортивной метрологии.

Таким образом, предметом спортивной метрологии является комплексный контроль в физическом воспитании и спорте и использование его результатов в планировании подготовки спортсменов и физкультурников.

В практике физического воспитания и спорта достаточно широко распространены представления о том, что комплексным может называться такой контроль, в ходе которого используются педагогические, психологические, социологические и другие показатели. Такой подход, как правило, односторонен, так как не позволяет реализовать конечную цель контроля - получить надежную и достоверную информацию для управления процессом физического воспитания и спортивной подготовки. Можно использовать,

например, все существующие методы контроля, оценивая только соревновательную (или только тренировочную) деятельность, и не получить при этом комплексной оценки. Поэтому комплексным можно называть лишь такой контроль, в ходе которого регистрируются различные показатели соревновательной и тренировочной деятельности, а также состояние спортсменов. Только в этом случае возможно сопоставить их значения, установить причинно-след- ственные связи между нагрузками и результатами в соревнованиях и тестах. После такого сопоставления и анализа можно приступить к разработке программ и планов подготовки.

Различают три разновидности комплексного контроля: этапный, текущий и оперативный. Общая схема, иллюстрирующая соотношение между направлениями и разновидностями комплексного контроля, представлена в табл. 1.

1.2. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ПОДГОТОВКИ СПОРТСМЕНОВ

Управление процессом подготовки спортсменов включает в себя пять стадий:

1) сбор информации о спортсмене, а также о среде, в которой он живет, тренируется и соревнуется;

2) анализ полученной информации;

3) принятие решений о стратегии подготовки и составление программ и планов подготовки;

4) реализация программ и планов подготовки;

5) контроль за ходом реализации, внесение необходимых кор рекций в документы планирования и составление новых программ

и планов.

Известно, что цель любого управления-это перевод объекта (системы) из одного состояния в другое. Применительно к подготовке спортсменов этот перевод выражается прежде всего в повышении результата в соревнованиях. На отдельных этапах подготовки могут стоять и более локальные задачи - повышение тех- нико-тактического мастерства, уровня волевых и двигательных качеств. В конечном счете решение каждой из них будет воздействовать на достижение более высоких результатов в соревнованиях.

Перевод объекта из одного состояния в другое осуществляется с помощью воздействий. В подготовке спортсменов к ним следует отнести выполнение различных упражнений, а также использование некоторых других факторов - внешней среды (например, условий среднегорья), специального питания и т. п. Эффективность воздействий, а следовательно, и эффективность управления тренировочным процессом обусловливается тем, насколько реальные изменения подготовленности спортсменов соответствуют запланированным тренером.

Оценить эти изменения можно по многим показателям, но на практике используются наиболее существенные, или и н ф о р м а - тивные.

* Необходимо отметить, что значительную информацию о подготовленности спортсменов специалисты получают в ходе контроля их соревновательной и тренировочной деятельности. Однако условия, в которых проходят соревнования и тренировки, трудно стандартизировать; кроме того, их результаты дают интегральную оценку. Тренеру же часто необходима информация об отдельных сторонах подготовленности, которую можно получить только в специально организованных стандартных условиях.

Сбор информации (первая стадия процесса управления) необходимо рассматривать как наиболее важную стадию управления тренировочным процессом. От достоверности информации зависит содержание принимаемых решений по планированию нагрузок.

Как было показано в разделе 1.1, для содержательного анализа необходима информация о соревновательных и тренировочных нагрузках и состоянии спортсменов. Имея ее, тренер сможет проанализировать исходные данные, расположив фактический мате-

Рис. 1. Динамика объема нагрузки и некоторых физиологических показателей в годичном тренировочном цикле велосипедистов (по В. М, Зациорскому с соавт.)

риал так, как это схематично показано на рис. 1. Из рисунка видно, как разные соотношения нагрузок приводят к изменению состояния спортсменов. Так, например, постоянное возрастание в апреле- августе объема нагрузок, выполняемых с ЧСС 150-180 уд/мин, приводит к увеличению физической работоспособности (тест -PWC 170 ) и анаэробных возможностей (тест ПАНО - порог анаэробного обмена).

При составлении подобных схем самый ответственный момент - выбор конкретных показателей, взаимосвязь динамики которых и послужит основой для управления тренировочным процессом.

Теоретически таких показателей может быть очень много, что хорошо видно из следующего примера. Предположим, что нам необходимо проанализировать информацию о состоянии соревновательной и тренировочной деятельности спринте- ров-легкоатлетов *.

В соревновательном беге спринтеров можно измерять следующие показатели: время реакции; время достижения υ max , ее удержания и снижения, скорость в различных точках дистанции; длину и частоту шагов; колебания общего центра масс и сегментов тела, их скорости и ускорения; время опорной и полетной фаз в различных точках дистанции; вертикальную и горизонтальную силы отталкивания; затраты энергии и т. д.

Тренировочная деятельность спринтеров характеризуется следующими показателями: количеством тренировочных занятий; временем, затраченным на них; частными объемами упражнений раз-

* Этот вид спорта с такой точки зрения один из наиболее простых, Вопервых, большинство показателей в нем можно объективно измерить. Вовторых, их гораздо меньше, чем, например, в играх и единоборствах.

личной направленности (бег на отрезках до 80 м, свыше 80 м, упражнения с отягощениями и т. д.).

Физическое состояние спринтеров, оцениваемое в стандартных условиях, характеризуется:

- уровнем телосложения (длина и масса тела, объем мышеч ной и жировой ткани, длина сегментов тела и т. д.);

- состоянием здоровья (десятки различных медицинских по казателей);

- степенью развития двигательных качеств, измеряемых в стандартных условиях (максимальные аэробные и анаэробные емкость, мощность и эффективность; силовые показатели сгиба телей и разгибателей ног, туловища и т. д.).

Кроме того, необходимо оценивать психические качества спортсменов - это еще десятки показателей.

Таким образом, теоретически можно измерять сотни (1) различных показателей, но на практике это сделать нельзя: во-пер- вых, это будет занимать слишком много времени; во-вторых, потребуется много дорогостоящей аппаратуры и обслуживающего персонала; в-третьих, и это самое главное, многие из показателей недостаточно надежны и информативны. Поэтому основной задачей в такой ситуации является выбор минимального количества показателей, с помощью которых можно получить максимум полезной информации и использовать ее в управлении процессом подготовки спортсменов. О том, как это делается, и будет рассказано в последующих главах учебника.

ОСНОВЫТЕОРИИ ИЗМЕРЕНИЙ

Измерением какой-либо физической величины называется операция, в результате которой определяется, во сколько раз эта величина больше (или меньше) другой величины, принятой за эталон.Так, за эталон длины принят метр, и, проводя измерения в соревнованиях или в тесте, мы узнаем, сколько метров, например, содержится в результате, показанном спортсменом, в прыжке в длину, в толкании ядра и т. д. Точно так же можно измерить время движений, мощность, развиваемую при их выполнении, и т. п.

Но не только такие измерения приходится выполнять в спортивной практике. Очень часто нужно оценить в ы р а з и т е л ь - ность исполнения упражнений в фигурном катании на коньках или художественной гимнастике, с л о ж н о с т ь движений прыгунов в воду, у т о м л е н и е марафонцев, тактическое мастерство футболистов и фехтовальщиков. Здесь узаконенных эталонов нет, но именно эти измерения во многих видах спорта наиболее инфор-

мативны. В этом случае измерением будет называться установление соответствия между изучаемыми явлениями, с одной стороны, и числами- с другой.

Внедрение научно-технического прогресса в физическое воспитание и спорт начинается с комплексного контроля. Информация,

получаемая здесь, служит основой для всех последующих действий тренеров, научных и административных работников. Тысячи тренеров и специалистов, оценивающих какие-то показатели (например, выносливость бегунов-спринтеров или эффективность техники боксеров), должны это делать одинаково. Для этого существуют с т а н д а р т ы на измерения.

Стандарт - это нормативно-технический документ, устанавливающий комплекс норм, правил, требований к объекту стандартизации (в данном случае к спортивным измерениям) и утверж-

денный компетентным органом. Использование стандарта повышает точность, экономичность и единство измерений. Для усиления

организационные, правовые, методические и практические основы этой деятельности.

Руководство работой по метрологии и стандартизации осу-

рядок стандартизации и измерительного дела, перспективы их развития, следит за обеспечением единства и правильности любых измерений в стране. Все это делается для того, чтобы ускорить научно-технический прогресс во всех отраслях народного хозяйства, повысить качество продукции, совершенствовать организацию и управление производством.

Руководство стандартизацией в физическом воспитании и спор-

научно-исследовательского института физкультуры (ВНИИФКа). Они устанавливают о т р а с л е в ы е стандарты, обязательные для всех работников физической культуры и спорта.

2.1. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ В СПОРТЕ

Метрологическое обеспечение - это применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и точности измерений в фи-

зическом воспитании и спорте. Научной основой этого обеспечения является м е т р о л о г и я, организационной - метрологическая служба Госкомспорта СССР. Техническая основа включает в себя: 1) систему государственных эталонов; 2) систему разработки и выпуска средств измерений; 3) метрологическую аттестацию и поверку средств и методов измерений; 4) систему стандартных данных о показателях, подлежащих контролю в процессе подготовки спортсменов.

Метрологическое обеспечение направлено на то, чтобы обеспечить е д и н с т в о и т о ч н о с т ь измерений. Единство измерений достигается тем, что их результаты должны быть представлены в узаконенных единицах и с известной вероятностью погрешностей. В настоящее время используется международная