MODUL GRAFIC SOFTWARE PENTRU ANALIZA BIOMECANICA A IMPACTULUI A DOI SPORTIVI IN JOCUL DE RUGBY

Lector univ.dr.ing. Emil BUDESCU,

Prof. univ.dr. Ioan IACOB,

 Universitatea "Al. I. Cuza" Iasi

Cuvinte cheie: inginerie mecanica, module independente

Keywords: mechanical engineering, independent modulus,

Rezumat

Cu ajutorul unui software specializat folosit in ingineria mecanica, a fost creat un modul independent care simuleaza impactul dintre doua corpuri in timpul ciocnirii. Astfel, considerand proprietatile de material aferente corpului uman, vitezele initiale, coeficientii de restituire si de frecare, modulul creat poate preciza vitezele si acceleratiile corpurilor, dupa impact, sensurile acestora, precum si distributia de tensiuni mecanice si localizarea lor. Valorile teoretice au fost comparate cu valori experimentale, determinate prin metoda inregistrarii videografice, efectuandu-se corectiile corespunzatoare astfel incat sa fie validat modulul creat. Modulul software creat poate fi util pentru simulare nu numai in jocul de rugby, ci in orice sport unde intervine problematica ciocnirii, privita din punct de vedere a performantei.

Introducere

Analiza ciocnirii a doi sau mai multi sportivi, in jocurile sportive, poate fi de interes atat pentru antrenor, in vederea simularii unor faze posibile ale jocului, cat si pentru medicul sportiv, in vederea recomandarilor necesare evitarii accidentarilor. Ciocnirea este acea miscare ce are loc sub actiunea unei forte foarte mari care actioneaza intr-un interval de timp foarte scurt. Caracteristic pentru miscare in timpul ciocnirii este variatia brusca a vitezei in intervalul de timp scurt cat dureaza acest fenomen. Ca o consecinta, si marimile care caracterizeaza miscarea (respectiv impulsul si energia cinetica) au variatii foarte mari. Forta percutanta medie este legata de variatia impulsului mecanic la ciocnire, ea fiind dependenta de masa subiectului si de vitezele avute de subiect imediat inainte si dupa ciocnire.

Modelarea matematica a impactului in timpul jocului a doi subiecti umani, realizata pe baza legii de conservare a impulsului mecanic si a coeficientului de restituire, permite calculul vitezelor sportivilor dupa ciocnire si a fortei percutante medii.

De interes pentru nespecialistii in biomecanica o reprezinta reprezentarea grafica, animata, pe computer, a ciocnirii a doi sportivi in timpul jocului, cu posibilitatea de a varia simplu anumiti parametrii "de intrare". Astfel, avand un astfel de software, exista posibilitatea de a realiza multiple simulari, atat pentru obtinerea performantei, cat si pentru evitarea accidentarilor.

Lucrarea de fata isi propune sa prezinte un modul software de vizualizare grafica a ciocnirii a doi sportivi, modul dezvoltat de autori pornind de la un program specializat in analiza dinamica a structurilor mecanice.

Prezentarea modulului grafic software

Pentru reprezentarea ciocnirii a doi sportivi a fost creat mai intai un model generic de subiect uman, folosind un program CAD de constructie in 3D a obiectelor. Acest model poate fi personalizat, functie atat de dimensiunile generale corporale ale sportivului, cat si de greutatea sau caracteristicile biomecanice "de material" ale corpului (densitatea masica, modulul mediu de elasticitate, coeficientul lui Poisson etc.).

Reprezentand apoi doua astfel de modele umane aflate pe un teren de rugby, asa cum este prezentat in figura 1, au fost introduse ecuatiile care definesc miscarea corpurilor, tinand cont de vitezele dinaintea ciocnirii, de pozitia relativa dintre cei doi sportivi, de coeficientii de frecare cu solul si de coeficientul de restituire la ciocnire dintre cei doi subiecti. Ca "date de iesire", modulul grafic furnizeaza urmatoarele informatii, pentru fiecare sportiv in parte:

Simularile pot fi realizate imediat, prin modificarea datelor "de intrare", programul oferind datele de interes, cinematice pentru antrenorul sportiv si dinamice pentru medicul sportiv. In figura 2 este prezentata o secventa in care sunt evidentiate vitezele din timpul impactului pentru cei doi sportivi.

Fig. 2. Vitezele sportivilor in timpul ciocnirii

Cunoscand aceste viteze, ca modul si sens, antrenorul isi poate aranja echipa in teren functie si de "criteriul impactului", astfel incat in urma ciocnirii cu un jucator advers propriul sportiv sa-si mentina neschimbat sensul vitezei, in schimb sa-i schimbe adversarului sensul acestei viteze sau sa o anuleze in modul.Vitezele initiale aproximative ale adversarilor pot fi apreciate de antrenor prin diferite metode de investigare (folosind inregistrari videografice anterioare, din alte meciuri, de exemplu), iar prin simulare sunt observate consecintele ciocnirii intre propriul sportiv analizat si diferiti adversari posibili

In acelasi mod se pot vizualiza graficele corespunzatoare acceleratiilor celor doi sportivi. Daca se doreste, activand optiunea de "analiza cu elemente finite", notata "FEA", se determina distributia de tensiuni echivalente von Mises in cele doua corpuri generice reprezentand pe cei doi sportivi.

Discutii

Pentru utilizarea modulului grafic creat nu sunt necesare cunostinte suplimentare fata de cele comune privind folosirea unui calculator. Dupa lansarea in executie a modulului software, apare fereastra in care sunt vizualizate cele doua corpuri aflate pe un teren sportiv, iar apoi, prin "apelarea" fiecarui corp in parte, se impun toate conditiile initiale, relevate anterior. Modulul software poate reda curbele de viteze si de acceleratii in acelasi timp cu derularea vizuala a ciocnirii sportivilor sau poate furniza separat valorile acestor parametri cinematici functie de un interval de timp prestabilit. In cazul in care se doreste derularea analizei dinamice, respectiv determinarea starii de tensiuni mecanice care apare in cele doua corpuri in timpul ciocnirii, trebuie precizat la inceput, atunci cand se introduc datele initiale pentru fiecare corp in parte, prin "marcarea" optiunii "FEA". Procedura de analiza cu elemente finite necesita insa si existenta "programului sursa" cu ajutorul caruia s-a construit modulul software, analiza neputandu-se efectua independent, asa cum se intampla cu analiza cinematica. Datele furnizate insa de optiunea "FEA" sunt foarte utile pentru simularea situatiilor critice, care pot conduce la accidentari, pentru a observa dispunerea acestor tensiuni pe cele doua corpuri si de a cunoaste valorile lor, precum si pentru a putea face recomandarile necesare sportivilor in vederea evitarii situatiilor critice.

Desi in acest moment corpurile au o reprezentare sub forma paralelipipedica, informatiile furnizate de modulul software se gasesc intr-o limita de erori admisibila fata de valorile reale, autorii efectuand verificarea dintre valorile vitezelor reale si cele obtinute prin simulare. Diferentele majore pot sa apara atunci cand nu se efectueaza schimbarile necesare asupra coeficientului de frecare cu solul, la simularea unor situatii de joc deosebite, pe un teren umed, de exemplu. In aceste situatii, trebuie modificata valoarea coeficientului de frecare conform recomandarilor din literatura de specialitate.

Concluzii

Modulul software isi poate dovedi utilitatea in pregatirea teoretica a meciurilor, stiut fiind faptul ca performanta presupune atat pregatirea fizica, cat si cea intelectuala si psihica. Constientizarea riscurilor posibile, a necesitatii de a obtine anumiti parametrii ai motricitatii, prin antrenament, pentru atingerea performantei si in privinta "criteriului ciocnirii", vizualizarea unor situatii posibile prin simulare etc., toate impreuna pot conduce la o pregatire teoretica adecvata obtinerii performantei.

Modulul software creat poate fi mult imbunatatit, aceasta fiind in momentul de fata doar o prima varianta.

Abstract

With the help of a specialized software used in mechanical engineering, there was created an independent modulus to simulate the impact between two bodies. Thus, considering the material properties afferent to human body, the initial speeds, the restitutio and friction coefficients, the created modulus may specify the values of speeds and accelerations after the impact, of the bodies, the senses of these speeds and accelerations and maximum stresses that occur, as well the location of these stresses. The theoretical values of speeds were compared to the experimental values, being done the corresponding corrections to validate the software modulus.

Bibliografie

[1] Budescu, E., Iacob, I., Bazele biomecanicii in sport. Editura Universitatii "Alexandru Ioan Cuza" Iasi, 2005, ISBN–973–703–133–4

[2] Brach, R.,M., Classical planar impact theory and the tip impact of a slender rod. International Journal of Impact Engineering, vol. 13, no. 1, 1993, pg. 21-33

[3] Darabont, Al., Iorga, I., Vaiteanu, D., Simaschevici, N., Socuri si vibratii. Aplicatii in tehnica, Editura Tehnica, Bucuresti, 1988

[4] Silas, Gh., Brindeu, L., Sisteme percutante. Editura Tehnica, Bucuresti, 1986