Biomechanika

Po debiucie telewizyjnego programu „Sport Science”, to co w sporcie nieuchwytne nagle stało się definiowalne. Takie parametry jak: siła rzutu piłki baseballowej, siła zderzenia dwóch zapaśników czy odpowiednia technika łapania, opuściły już dziedzinę abstrakcji i stały się wartościami, które można odmierzać w kategoriach technicznych.

 Dzięki zastosowaniu kamer szybkobieżnych naukowcy przestudiowali ruch podawania piłki przez rozgrywającego NFL Matt’a Leinert’a. 

„Stwierdziliśmy: Dlaczego by nie skorzystać z technologii biomechanicznej i nie zastosować jej w przypadku sportowców? – tak przedstawił inicjatywę Mickey Stern, współtwórca nowego programu nadawanego na antenie Fox Sports Network w niedzielę w nocy dodając – Chcieliśmy to zrobić w najznakomitszy i najbardziej spektakularny sposób jaki w ogóle możliwy.”

Faktycznie, nowy show Fox Sports jest znakomity i spektakularny zarówno dla inżynierów jak i pasjonatów sportu. Poprzez analizę zjawisk sportowych, które mają miejsce w ciągu ułamków sekundy – i które z tego właśnie powodu były wcześniej nie do zmierzenia – „Sport Science” wprowadził nowe i pasjonujące pomysły. Inżynierowie i naukowcy programu wykorzystali, na przykład, bezprzewodowy przyspieszeniomierz, w celu zmierzenia siły zderzenia dwóch zapaśników sumo oraz siły odbicia koszykarza dysponującego najlepszym skokiem wzwyż. Zastosowali przy tym również pojemnościowe czujniki dotykowe, które umieścili na dłoniach byłego skrzydłowego Jerry’ego Rice’a, aby zbadać w jaki sposób łapie on piłkę. W celu pomiaru szybkości drogi, którą musi przebyć noga piłkarza podczas wykonywania tak zwanego „strzału z przewrotki”, użyli oni Inercyjnej Jednostki Pomiarowej (IMU). Posłużyli się również aparatami podczerwieni (IR), aparatami HD (owysokiej rozdzielczości), wyposażonymi manekinami do testów wypadkowych, ogniwami obciążnikowymi oraz wieloma innymi technologiami po to, aby przeanalizować wszystko począwszy od „czasu zawieszenia” aż po siłę uderzenia pięścią.

– Można zauważyć zdecydowany postęp technologii, która umożliwia nam dokonywanie pomiarów, których nie moglibyśmy uzyskać 10 lat temu – stwierdziła Cynthia Bir, profesor asystent inżynierii biomedycznej na Wayne State University, która w programie pełni funkcję głównego naukowca dodając – Możemy sportowców odpowiednio wyposażyć i zobaczyć co dzieje się w trakcie wykonywanych przez nich czynności, jakie siły wytwarzają i jaka jest ich wytrzymałość.

Zarząd Fox’a wyjaśnił, że program został zainicjowany z nadzieją, że stanie się czymś w rodzaju pogromcy mitów, dyskredytującym niezliczoną ilość tez wysnutych przez fanów sportu. I chociaż udało się obalić kilka mitów, takich jak koncepcja „czasu zawieszenia,” doszło to tego, że inicjator programu został wciągnięty w przeprowadzanie testów w sposób, którego nie przewidział. Po kilku tygodniach przeprowadzania testów na sportowcach, w odpowiednio wyposażonym hangarze na lotnisku Hawthorne Airport w Kalifornii, twórcy programu zamarli z słupienia. Tak opisuje tę niespodziankę John Brenkus, współtwórca oraz jedna z gwiazd programu:

– Gdy rozpoczęliśmy nasze eksperymenty nie wiedzieliśmy jaki będzie ich ostateczny rezultat. Wyniki eksperymentów rzeczywiście otworzyły nam oczy na fakt, jakimi niezwykłymi ludźmi są ci sportowcy. Skłania to do refleksji, że w rzeczywistości jedynie ocieramy się o istotę problemu nauki o sporcie.

Poniżej przedstawiamy pięć eksperymentów, każdy z zastosowaniem innej technologii, aby inżynierowie mogli lepiej zrozumieć techniki pomiarowe stosowane przez inżynierów Fox Sports.

Bezprzewodowe przyspieszeniomierze oraz żyroskopy

W celu zbadania kombinacji obrotów i przyspieszenia kątowego sportowców, Cynthia Bir (razem z innymi inżynierami programu) wykorzystała Inertia- Link, bezprzewodową inercyjną jednostkę pomiarową (IMU). Jednostki IMU stworzone przez firmę Microstrain zawierają w sobie trzy przyspieszeniomierze, trzy żyroskopy, sześć konwerterów A/D oraz odbiornik radiowy, a wszystko to w jednym pakiecie mierzącym 41 x 63 x 24 mm. W przypadku jednego z zastosowań jednostki IMU Bir umieściła ją na kostce zawodowego gracza piłki nożnej Jason’a Hernandez’a i zmierzyła prędkość jego nogi podczas tak zwanego „strzału z przewrotki”. Inżynierowie Microstrain uznali bowiem, że jednostka ta jest jedynym możliwym sposobem zmierzenia szybkości kopnięcia przez piłkarza, która uwzględnia przyspieszenie liniowe oraz obrót kątowy. O stosowanych metodach badań poinformował Mike Robinson, wiceprezes ds. sprzedaży i marketingu firmy Microstrain:

– Łączymy rezultaty uzyskane za pomocą żyroskopów i przyspieszeniomierzy, abyśmy mogli rozróżnić ruch liniowy od ruchu kątowego. Nasz procesor wykonuje obliczenia a moduł podaje przyspieszenie liniowe oraz wielkość kątową.

Natomiast, za największą zaletę tego systemu, Bir uznała to, że jest on bezprzewodowy, wyjaśniając: W przeszłości podczas badań zawsze stosowaliśmy przewodowe przyspieszeniomierze z ciągnącym się kablem. W trakcie pobierania pomiarów zdarzeń o charakterze kinematycznym – takich jak bieganie czy skakanie – trudno jest trzymać kogoś na uwięzi kabla.

Aby zmierzyć siły zapaśników sumo, koszykarzy, zawodników walk ekstremalnych, mistrzów sztuk walki oraz zawodowych piłkarzy, Bir w programie „Sport Science”, wykorzystała bezprzewodową jednostkę IMU, jak również bezprzewodowe przyspieszeniomierze znane jako V-Link i G-Link.

Czujniki siły oraz manekiny do testów wypadkowych

W celu określenia siły ściskania, inżynierowie zastosowali czujniki siły umieszczone na tylnej części płaskiej powierzchni płyty. Po uderzeniu w tę płytę zbierane były wyniki oddające wielkość siły uderzenia. Korzystano z tej metody, aby zmierzyć prędkość piłki (rzuconej przez miotaczkę Jennie Finch) oraz siłę generowaną przez mistrzów sztuk walki rozbijających betonowe bloki.

Zastosowane czujniki siły Model 2881 wyprodukowane przez firmę Robert A. Denton, posługują się piezorezystywnymi czujnikami tensometrycznymi, które przy zmianie obciążenia zmieniają oporność elektryczną, a rezultatem tego jest zmiana naprężenia prądu. Urządzenia te mogą mierzyć siłę, ponieważ różnica w naprężeniu prądu jest wprost proporcjonalna do zmiany obciążenia.

W celu zmierzenia siły rzutu Jennie Finch czujniki siły mierzące 7,5 x 7,5 x 3.8 cm zostały umieszczone na tylnej części pleksiglasu. Natomiast w celu zmierzenia siły o wartości 910 kG generowanej przez mistrzów sztuk walki rozbijających betonowe bloki, czujniki siły montowane były na spodzie betonowego bloku.

Fox Sport skorzystała z tej technologii, aby porównać siłę generowaną przez rzut piłką Jennie Finch z siłą najlepszego rzutu o prędkości ponad 150 km/h. W rezultacie tych badań inżynierowie Fox Sports odkryli, że mimo tego, iż piłka do baseballu jest mniejsza aniżeli piłka do softballu, piłka do baseballu przekazuje większą siłę.

Tę technologię Bir zastosowała również w pomiarach siły wstrząsu ciała, pod wpływem uderzenia zawodnika walk ekstremalnych. Umieszczając czujnik siły w „głowie” manekina do testów wypadkowych typu Hybrid 3 firmy Denton, Bir obliczyła kryteria urazów głowy (HIC – Head Injury Criteria), które wyniosły pomiędzy 3.000 a 4.000 HIC (HIC nie wyraża się w jednostkach pomiarowych), co oznacza, że uraz głowy podczas takiego wstrząsu jest trzy lub cztery razy większy aniżeli obrażenia powstałe w wyniku czołowego zderzenia samochodu jadącego z prędkością 56 km/h.

Dotykowe czujniki nacisku

Trenerzy futbolu (amerykańskiego) uczą przyjmujących łapać piłkę palcami, a nie rękoma czy całym ciałem. Aby sprawdzić, czy faktycznie przyjmujący tak właśnie robią „Sport Science” użyła dotykowych czujników nacisku umieszczając je na palcach i wewnętrznej części dłoni byłego piłkarza NFL Jerry’ego Rice’a. Czujniki te, skonstruowane przez Pressure Profile Systems, wykorzystują technologię czujnika pojemnościowego, który jest wplatany w elastyczny materiał typu Lycra. Czujniki te, znane pod nazwą Finger TPS, pod wpływem nacisku zmieniają poziom reaktancji pojemnościowej. Poziomy reaktancji pojemnościowej czujników są niezmiernie niskie – rzędu 10-15 faradów – jednak odczytują one te tak niskie wartości a w konsekwencji zmianę nacisku. Cel takich badań określił David Ables, główny technolog firmy Pressure Profile Systems: Dzięki możliwości zmierzenia reaktancji pojemnościowej możemy określić jak zmienia się odległość pomiędzy elektrodami czujnika, co tym samym pozwala na określenie poziomu nacisku.

Korzystając z tego właśnie systemu ekipa Fox Sports mogła stwierdzić, że piłka faktycznie nigdy nie dotykała wewnętrznej części dłoni Rice’a. Technologię tę ekipa Fox Sports wykorzystała też do udowodnienia, że jedna z zasad NBA (National Basketball Association) oparta jest na błędnym założeniu. Chodzi o zasadę, która ustala, że zawodnik nie może złapać ani rzucić piłki, gdy na zegarze liczącym czas na rozegranie akcji pozostało 0,3 lub mniej sekund. Została ona obalona przez strzelca NBA wyposażonego w czujnik, który został umieszczony na jego środkowym palcu. Strzelec ten o nazwisku Jason Kapono, grający w Toronto Raptors, konsekwentnie prześcigał zegar. Ekipa Fox Sports zauważyła:

Gdy rzucaliśmy piłkę w odpowiednie miejsce zwróciliśmy uwagę, że może on złapać i rzucić piłkę w ciągu 0,22 sekund. Zatem zasada ta jest sama w sobie błędna.

Kinematyka oparta na technice Motion Capture (przechwytywania ruchu)

Aby w pełni zrozumieć technikę ruchów i siły sportowców, Fox Sports wykorzystała kamery Motion Capture. Kamery te często stosowane są przy tworzeniu realistycznej animacji ruchu w grach komputerowych produkowanych przez Atari, Sega i Nintendo. Posługują się one znacznikami odblaskowymi, świecącymi diodami LED, indywidualnie zaprojektowanymi kamerami o wysokiej rozdzielczości oraz odpowiednim oprogramowaniem. Znaczniki odblaskowe przymocowywane są do stawów sportowca oraz na wierzchu kostiumu systemu „motion capture,” podczas gdy zespół kamer monitoruje jego ruchy w przestrzeni trójwymiarowej. Dzięki zastosowaniu tej technologii inżynierowie mogli dokonywać analizy biomechaniki badanego przedmiotu. Jakie efekty można uzyskać przy zastosowaniu tej technologii przedstawia Bir: Można uzyskać trójwymiarowy odczyt pozycji stawów sportowca w przestrzeni w każdym momencie. Można zobaczyć gdzie znajduje się noga sportowca i co się z nią dzieje. Można zobaczyć w jakiej pozycji w odniesieniu do środka ciężkości znajduje się głowa.

Inżynierowie z firmy Vicon, twórcy systemu „przechwytywania ruchu”, twierdzą, że opracowali proces, który umożliwia użytkownikom wykorzystywanie zestawu samosynchronizujących się kamer (działających wspólnie), do sporządzania analiz kinematycznych najbardziej skomplikowanych ruchów.

Firma twierdzi, że technika ta stosowana jest przez NASA do przeprowadzania analiz powierzchni kontrolnych prototypowego modelu samolotu w tunelach aerodynamicznych.

Fox Sports wykorzystała tę technologię do analizy techniki skoku „Skywalker’a,” metod pochylenia tak zwanych „wolnych biegaczy” oraz mechaniki rzutu miotaczki Jennie Finch. Okazuje się, że – jak podkreśla Bir: Dość często wykorzystujemy te systemy w biomechanice, Jednak stosowanie ich w dziedzinie sportu było w przeszłości rzadkością, w szczególności stosowanie ich w sposób podobny do tego, jak myśmy to uczynili.

Szybka kamera wideo

Naukowcy twierdzą, że najlepszym sposobem na zrozumienie osiągnięć sportowych jest spowolnienie ruchu. W programie „Sport Science” uczyniono to przy użyciu dwóch szybkich kamer wideo.

Kamerami tymi były Phantom v7.3 oraz Phantom HD opracowane przez Vision Research. Kamerę v7.3 o rozdzielczości 800 x 600 (działającą na poziomie niemalże 7.000 klatek na sekundę i zapewniającą większą prędkość) oraz kamerę Phantom HD Fox Sports wykorzystała, aby stworzyć 1.920 x 1.080 obrazy przy 1.000 klatek na sekundę. Obie kamery działają przy wysokiej prędkości, ponieważ posługują się czujnikami CMOS i posiadają potokowe architektury zaprojektowane tak, aby umożliwić przetwarzanie olbrzymiej ilości danych. System ten wychwytuje fotony jako dane analogowe, przesyła je do konwerterów A/D, a następnie przechowuje je jako cyfrowe dane pierwotne w pamięci wewnętrznej CPU o pojemności w przedziale od 8 do 32 gigabajtów.

Jeżeli dane są przechowywane przez pamięć, oprogramowanie może przeprowadzić analizę wideo ruchu w zwolnionym tempie, umożliwiając inżynierom określenie dokładnego momentu faktycznego rozpoczęcia i ukończenia ruchu. Zasady działania tak opisuje Rick Robinson, dyrektor ds. marketingu w firmie Vision Research:

– Można obrać sobie punkt i poprosić oprogramowanie o zanalizowanie ruchu tego punktu w poszczególnym okresie czasu. Z tych danych można wyliczyć prędkość i przyspieszenie.

Technologia ta przyczyniła się, w szczególności, do obalenia mitu tak zwanego „czasu zawieszenia” w koszykówce. Przyglądając się koszykarzom w kamerach szybkobieżnych inżynierowie udowodnili, że skoczkowie zawsze poruszają się albo w kierunku ku górze bądź ku dołowi, nie opierając się siłom grawitacji i nie „wisząc” w powietrzu. Inżynierowie twierdzą, że niemożliwym byłoby udowodnienie bądź obalenie tego typu mitów bez spowolnienia ruchów fizycznych. To odkryte zjawisko tak opisuje Robinson:

Istnieje wokół nas świat alternatywny – zjawiska, których nigdy nie widzieliśmy, ponieważ ludzka percepcja ograniczona jest do określonej częstotliwości.

DN