Свойства функциональной системы

 

Как и всякая живая система, спортсмен является сложным объектом измерения. Основными измеряемыми и контролируемыми параметрами спортсмена на разных этапах тренировки являются морфофизиологические, биохимические, психологические, технико-тактические характеристики и физические качества (выносливость, быстрота, сила, гибкость и ловкость). Планирование и проведение измерений всех этих параметров должно основываться на знании некоторых свойств функциональной системы, к числу которой относится организм спортсмена. Основными свойствами живой системы являются: изменчивость, подвижность, нелинейность, адаптивность, неполная наблюдаемость, многомерность.

Изменчивость – непостоянство переменных величин, характеризующих состояние спортсмена и его деятельность. Все показатели спортсмена (физиологические, морфометрические, биомеханические, энергетические, психофизиологические и т. п.) изменяются во времени. Это делает необходимым проведение многократных измерений с последующей обработкой их результатов методами вариационной статистики. Например, для получения наиболее объективных результатов тестирования в прыжках в длину с места необходимо провести несколько попыток, из которых рассчитывается средняя арифметическая величина.

Подвижность – подчинённость функций организма хронобиологическим закономерностям, т. е. биоритмам. Это проявляется, например, в изменении суточной кривой физической работоспособности; смещении биоритма функций организма спортсмена при его перемещении (самолетом или поездом) в другой временной пояс. Данное свойство важно учитывать, в частности, при планировании повторных (динамических) исследований, соблюдая единое время суток проведения измерений.

Нелинейность – особенность живой системы нелинейно отвечать на раздражители. В частности, с увеличением мышечной нагрузки физиологические функции организма спортсмена изменяются неадекватно её нарастанию, гетерохронно и гетерогенно. Отсюда, во-первых, постоянное увеличение объёма и интенсивности тренировочных нагрузок не может давать положительный тренировочный эффект, вызывая перенапряжение функций; во-вторых, при тестовых физических нагрузках даже с постоянной мощностью необходимо проводить динамические измерения тех или иных функций, поскольку их активация не будет линейна функции времени и мощности.

Адаптивность – свойство организма человека приспосабливаться (адаптироваться) к изменяющимся условиям окружающей среды. При этом организм не приспосабливается к экстремальным факторам среды. Адаптивность лежит в основе повышения тренированности организма в результате суммации срочных тренировочных эффектов, а также в повышении устойчивости организма к относительно низким, высоким температурам среды, гипобарической (высокогорной) гипоксии и эмоциональным напряжениям. Однако эффекты адаптации иногда усложняют получение объективной информации о состоянии спортсмена. Например, организм быстро приспосабливается к непредельным тестам, в результате чего мы получаем сведения не о фактических изменениях функций (работоспособности, сенсомоторных реакций и т. п.) под влиянием мышечных нагрузок или других воздействий, а об эффекте адаптации к данному тесту. Так, часто создаётся ложное представление о динамике изменения общей физической работоспособности в микроциклах, когда она оценивается с интервалом несколько дней или чаще с помощью теста PWC₁₇₀. Учитывая данное свойство биологической системы, при динамических измерениях необходимо либо увеличивать интервал между повторными тестированиями, либо использовать предельные или околопредельные тесты, к которым нет приспособления, либо видоизменять процедуру тестирования (замещение гомогенными тестами).

Неполная наблюдаемость, или квалитативность, проявляется в отсутствии точной количественной меры измерения. Так, практически все физические качества (сила, быстрота, ловкость, работоспособность), техническая и тактическая подготовленность, красота исполнительского мастерства, психологические свойства личности спортсмена и другие факторы обеспечения спортивного результата не имеют своей единицы измерения, и, значит, не могут быть измерены как-либо точно. На практике для измерения этих качеств используются косвенные показатели. Ровно так же, как мы до сих пор измеряем и оцениваем деятельность мозга и сердца по биоэлектрической активности. Поэтому для оценки одного и того же качества спортсмена требуется прибегать к ряду косвенных признаков и тестов, и только на их основе более или менее можно делать соответствующие заключения.

Многомерность – большое число переменных, характеризующих состояние системы (выходные) и изменяющих её состояние (входные). В качестве выходных переменных состояния тренированности спортсмена, в общем представлении, могут выступать физическая, техническая, тактическая, психологическая и теоретическая подготовленности и их составляющие. При детальном же рассмотрении, например, выносливости обнаруживаются разные её проявления – общая, специальная, силовая, статическая, скоростная и другие. Понятно, чем большее число качественно разных переменных измеряется, тем полнее будет оценка разносторонности состояния спортсмена и возможность более эффективного управления данной системой. Однако при большом количестве численных значений и фактов возникают трудности в интерпретации данных, поэтому одной из задач спортивной метрологии является стремление уменьшить число измеряемых переменных за счёт тщательного «отбора» из их общего массива существенных переменных.

 

Шкалы измерений

 

Существует множество определений «измерения», несколько отличающихся друг от друга в зависимости от точки зрения исследователя. Общим для всех определений является следующее: измерение есть приписывание чисел вещам в соответствии с определёнными правилами. Измерить рост человека – значит приписать число расстоянию между макушкой головы и подошвой ног, найденному с помощью линейки. Измерение коэффициента интеллектуальности студента – это присвоение числа характеру ответной реакции, возникающей у него на группу типовых задач. Измерение преобразовывает определённые свойства наших восприятий в известные, легко поддающиеся обработке вещи, называемые числами. Каким безынтересным был бы мир, если бы мы не измеряли! Разве не полезно физику знать, что сталь плавится при высокой температуре, а путешественнику, что Сочи – это «город, вытянутый вдоль побережья Чёрного моря»? Известно, какую важную роль играет измерение в физиологических, педагогических и психологических исследованиях в спорте.

Представление о «шкалах измерений» образует полезную группу понятий. В спортивной практике наибольшее распространение получили четыре шкалы измерений: шкала наименований, шкала порядка, шкала интервалов, шкала отношений. Каждая из них специфична, имеет своё практическое приложение, способ и принцип измерения, свой набор математических процедур. В общем представлении это показано в таблице 1.

Шкала наименований (номинальные измерения).Номинальное измерение – присвоение обозначения или обозначений. Схема классификации видов в биологии – примеры номинальных измерений. В медико-биологических науках часто кодируют «пол», обозначая индивидов женского рода нулем, а мужского – единицей. Мы выполнили бы номинальное измерение, если бы присвоили число 1 коми, 2 – грузинам, а 3 – евреям. Равна ли одному еврею сумма одного коми и одного грузина (1 + 2 = 3)? Конечно, нет.

Таблица 1

Шкалы измерений

 

Шкала	Основные принципы	Методы статистики	Примеры
наименований	установление равенства	число случаев, мода, корреляция	нумерация спортсменов в команде; результаты  жеребьёвки
порядка	установление соотношений «больше» или «меньше»	медиана, ранговая корреляция, ранговые критерии, проверка гипотез	место, занятое на соревнованиях; результаты ранжирования спортсменов группой экспертов; оценка мастерства в баллах
интервалов	установление равенства интервалов	среднее, стандартное отклонение, корреляция	календарные даты; суставной угол
отношений	установление равенства отношений	коэффициент вариации, среднее геометрическое	длина, сила, масса, скорость и т. п.

 

Числа, которые мы присваиваем в номинальном измерении, обладают всеми свойствами любых других чисел. Мы может складывать их, вычитать, делить или просто сравнивать. Но если процесс присвоения чисел предметам представлял собой номинальное измерение, то наши действия с величиной, порядком и прочими свойствами чисел вообще не будут иметь никакого смысла по отношению к самим предметам, поскольку мы не интересовались величиной, порядком и другими свойствами чисел, когда присваивали их. При номинальных измерениях используется исключительно та особенность чисел, что 1 отличается от 2 или 4 и что если предмет А имеет 1, а предмет В – 4, то А и В различаются в отношении измеряемого свойства. Отсюда вовсе не следует, что в «В» содержится больше свойства, чем в «А».

Таким образом, шкала наименований служит для обнаружения и различения изучаемых объектов за счёт введения и присвоения ярлыков. Для удобства контроля за объектами ярлыки выражаются через числа. Например, нумерация игроков в баскетболе, футболе и т. п. Здесь цифровые значения не имеют строгого порядка и могут меняться местами. В шкале наименований нет отношений типа «больше-меньше», но это не значит, что её нельзя считать шкалой измерения. Имея некоторые ограничения в использовании, шкала наименований незаменима, например, при подсчёте частоты технических (или других) действий каждым спортсменом за период соревнования (тайма, матча и т. п.).

Шкала порядка называется ранговой, или неметрической. Шкала измерения может не иметь одинаковых интервалов между рангами. Она позволяет установить равенство или неравенство измеряемых объектов, а также определить характер неравенства в виде суждений: «больше-меньше», «лучше-хуже» и т. п. С помощь шкалы порядка можно измерять не только количественные, но и качественные показатели в баллах. Наибольшее распространение эти шкалы получили в педагогике, психологии, социологии.

Порядковые измерения возможны тогда, когда измеряющий может обнаружить в предметах различие степеней признака или свойства. В этом случае используется свойство «упорядоченности» чисел, и числа приписываются предметам таким образом, что если число, присвоенное предмету А, больше числа, присвоенного В, то это значит, что в А содержится больше данного свойства, чем в В.

Допустим, мы проранжировали гимнасток Машу, Дашу, Алису и Ольгу с точки зрения «исполнительского мастерства». Мы можем расположить их следующим образом: Ольга, Даша, Маша, Алиса. Порядковое измерение имеет место в том случае, когда мы присваиваем Ольге, Даше, Маше, Алисе соответственно номера 1, 2, 3 и 4. Заметим, что номера 0, 13, 21 и 45 тоже подошли бы, поскольку расстояние между двумя соседними номерами не имеет значения. Мы не можем себе представить, что измеритель в состоянии распознать, например, будет ли различие между «количеством» исполнительского мастерства Ольги и Даши больше или меньше разницы между исполнительским мастерством Даши и Маши. Поэтому не стоит придавать большого значения тому, что разница в оценках Ольги и Даши такая же, как и дистанция между Машей и Алисой.

В спортивной практике шкала порядка применяется для установления занятого места в соревнованиях, при оценке физической подготовленности, предпочтений технических и тактических действий спортсменом, используя ранговые критерии.

Не существует закона, запрещающего кому-либо складывать, вычитать, умножать и производить другие операции над числами, которые присвоены предметам в ходе порядкового измерения. Однако результаты этих операций могут и ничего не говорить о количествах анализируемого свойства, которым обладают предметы, соответствующие этим числам.

Шкала интервалов отличается строгой упорядоченностью чисел и определёнными интервалами между рангами. Интервальное измерение возможно, когда измеритель способен определить не только количество свойства в предметах, но также фиксировать равные различия между предметами. Для интервального измерения устанавливается единица измерения (градус, метр, сантиметр, грамм и т. д.). В этой шкале нулевая точка выбирается произвольно. Например, при измерении угла в суставе точкой отсчёта может быть нуль или любое начальное значение в градусах, так же как при измерении температуры, потенциальной энергии поднятого груза может произвольно определяться начальная точка. Важная особенность интервального измерения состоит в том, что оцениваемое свойство предмета вовсе не пропадает, когда результат измерения равен нулю. Использование шкалы интервалов даёт ответ на вопрос «на сколько больше или меньше?» изменился измеряемый признак или свойство предмета.

Шкала отношений отличается строгой определённостью нулевой точки. Здесь нулевая точка не произвольна, а указывает на полное отсутствие измеряемого свойства. Измеритель может заметить отсутствие свойства и имеет единицу измерения, позволяющую регистрировать различающиеся значения признака. Равные различия чисел, присвоенные при измерении, отражают равные различия в количестве свойства, которым обладают оцениваемые предметы. Кроме того, раз нулевая точка не произвольна, а абсолютна, то не лишено смысла утверждение, что у А в два, три или четыре раза больше свойства, чем у В.

Длина и масса тела являются примерами шкал измерения отношений. Нулевой длины тела человека вообще не существует, а мужчина длиной тела 180 см в два раза выше мальчика, имеющего 90 см. Шкала отношений называется так потому, что отношения чисел для неё существенны. Эти отношения можно интерпретировать как отношения значений свойств измеряемых объектов. Установление отношения применительно к точной интервальной шкале в терминах количества свойства в объектах не имеет смысла. Например, если 13 июля максимальная температура воздуха была 24°С, а 10 марта – 8°С, то неправильно говорить, что 13 июля была температура в три раза выше, чем 10 марта.

В спорте по этой шкале измеряют расстояние, силу, скорость и многие другие переменные. Универсальность шкалы отношений заключается в возможности измерения разности чисел, отсчитанных по шкале интервалов. Измеряя какую-либо величину, можно определить её отношение к соответствующей единице измерения (например, отношение массы штанги к массе тела, длины прыжка к длине сегмента тела и т. п.).

 

Единицы измерений

 

Чтобы сравнить результаты измерения, необходимо выразить их в одних и тех же единицах. Первая единая метрическая (десятичная) система мер разработана в конце XVIII в. В последующем была принята более совершенная Международная система единиц – СИ (от начальных слов System International).

Эта система в настоящее время включает семь независимых друг от друга основных единиц, из которых в качестве производных выводят (путём арифметических действий) единицы остальных физических величин. Например, единица длины (метр) и единица времени (секунда) – основные единицы, а единица скорости (метр в секунду) – производная.

Все производные величины имеют свои размерности. Размерностью называется выражение, связывающее производную величину с основными величинами системы при равном единице коэффициенте пропорциональности. Например, размерность длины – L, размерность времени – T; отсюда размерность скорости равна L/T = L · T^{- 1}, а размерность ускорения – L · T^{- 2}.

Помимо единиц измерения, входящих в систему СИ, есть также внесистемные единицы (час, минута, лошадиная сила, калория и др.), которые часто применяются для удобства. Эти единицы измерения могут быть построены из основных единиц системы (построенных по десятичному принципу) или вообще не иметь связей с единицами установленных систем (например, калория, миллиметры ртутного столба и др.).

 

Система единиц СИ

 

                   Основные единицы                                  Производные единицы

1. Длина – метр (м). Метр – длина, Площадь – квадратные метры (м²). 

равная 1650763,73 длины волны изотопа криптона (⁸⁶Кч) 1 дюйм = 2,54 см 1 фут = 30,48 см

 

 

 

 

 

 

2. Масса – килограмм (кг). Килограмм равен массе цилиндрической гири из платино-иридиевого сплава

1 фунт = 0,454 кг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Двухмерная мера длины 1 фут ² = 0,0929 м²

1 а кр = 0,4047 гектара (га)

 

Объём – кубические метры (м³). Трёхмерная мера длины. Хотя литр не является единицей системы

СИ, объём часто измеряют в литрах (л)

1 мл Н₂О = 1 см³

1 л = 0,001 м³

 

Плотность – килограмм · кубические метры ^–1 (кг · м³). Масса на единицу объёма

 

Энергия, работа – джоуль (Дж). Энергия – способность выполнять работу; работа характеризует приложение силы на определённом расстоянии. 1 Дж = 1 Н · м

1 ккал = 4,183 кДж

1 кпм = 9,807 Дж

 

Сила – ньютон (Н). Один ньютон – сила, сообщающая телу массой 1 кг ускорение 1 м · с^-2 в направлении действия силы.

1 Н = 1 кг · м · с^-2

1 кг-силы = 9,81 Н

1 фунт-силы = 4,45 Н

 

Мощность – ватт (Вт).

 

 

3. Время – секунда (с). Единица времени, воспроизводимая цезиевыми эталонами частоты и времени (9,192,631,770 колебаний

излучения атома цезия)

 

 

 

 

4. Сила электрического тока – ампер (А). Интенсивность потока

заряженных частиц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Температура – Кельвина (К). 

Мера скорости колебаний молекул. От точки замерзания до точки кипения – 100 К. К – абсолютный нуль

 

 

6. Количество вещества – моль. Количество вещества, содержащего такое же количество частиц, которое находится в 12 г (1 моль) изотопа 12 С

 

7. Сила света – свеча (св). Сила света 1/600 000 м² абсолютно чёрного тела при температуре 

затвердевания платины (2045 К) Частота – Герц (Гц). Количество колебаний в секунду. 1 Гц = 1 колебание · с^-1.

 

Скорость – (м · с^-1). Изменения положения тела во времени.

1 фут · с^-1 = 0,3048 м · с^-1 1 миля · ч^-1 = 0,447 м · с^-1 = 1,609 км · ч^-1

 

Электрическая ёмкость – фарада (Ф). Свойство проводимости и изоляции электрической системы, позволяющее накапливать электрический заряд, когда между проводниками

существует разница потенциалов

 

Сопротивление – ом (Ом). Трудность прохождения потока заряженных частиц через объект

 

Напряжение – вольт (В). Разница в чистом распределении заряженных частиц между двумя точками

 

Шкала Цельсия – (^оС).

0 ^оС = 273,15 К

 

Шкала Фаренгейта (^оФ) 0 ^оС = 32 ^оФ = 273,15 К

^о Ф = 1,8 ^оС + 32

 

Концентрация (моль · м^-3). Количество вещества в единице объёма

 

 

 

 

Люмен (Лм). Единица светового потока 

 

 

Совершенствование методов измерений в спорте всегда связано с введением новых единиц измерения. Так, точность измерения выносливости значительно повысилась с тех пор, как техника газового анализа выдыхаемого воздуха стала общедоступной и аэробные возможности спортсмена начали оценивать величиной максимального потребления кислорода в пересчёте на массу тела (мл/кг · мин^-1).

Точность измерений

 

Никакое измерение не может быть выполнено абсолютно точно, всегда содержится та или иная погрешность. Чем точнее метод измерения и измерительный прибор, тем меньше величина погрешности. Принято различать несколько видов погрешностей: основная и дополнительная, абсолютная и относительная, систематическая и случайная, которые необходимо учитывать при измерении в спорте.

Основная погрешность связана с методом измерения или измерительного прибора, которая имеет место в нормальных условиях их применения. Например, точность измерения прыжка в длину с помощью метра или рулетки; точность измерения времени пробегания короткой дистанции с помощью разных (механического или электронного) секундомеров будет не одинаковой, что обусловливается точностью самого средства измерения. Эта погрешность, как правило, указана в инструкции измерительного прибора.

Дополнительная погрешность вызвана отклонением условий работы измерительной системы от нормальных. Например, при существенных колебаниях (выше нормы) электрического напряжения в сети может возникать погрешность измерения. Другой пример – прибор, предназначенный для работы при комнатной температуре, будет давать неточные показания, если пользоваться им в условиях низких или высоких внешних температур. К дополнительным погрешностям относится и так называемая динамическая погрешность, обусловленная инерционностью измерительного прибора и возникающая в тех случаях, когда измеряемая величина колеблется выше технических возможностей регистрирующего устройства. Например, некоторые пульсотахометры рассчитаны на измерение средних величин частоты сердечных сокращений и не способны улавливать непродолжительные отклонения частоты от среднего уровня.

Величины основной и дополнительной погрешности могут быть представлены в абсолютных и относительных единицах.

Абсолютная погрешность равна разности между показанием измерительного пробора (А) и истинным значением измеряемой величины (А_о): Δ А = А – А _о.

Она измеряется в тех же единицах, что и измеряемая величина.

Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины:   А  Δ А % = _ 100%.

 А 0 

Поскольку относительная погрешность измеряется в процентах, то знак абсолютной погрешности не учитывается.

Систематическая погрешность – это величина, которая не меняется от измерения к измерению. Поэтому она часто может быть заранее предсказана или, в крайнем случае, обнаружена и устранена по окончании процесса измерения. Определение систематической погрешности измерения возможно следующими способами: тарировка, калибровка измерительной аппаратуры или рандомизация.

Тарированием называется проверка показаний измерительных приборов путём сравнения с показаниями образцовых значений мер (эталонов) во всём диапазоне измеряемой величины.

Калибровкой называется определение погрешностей или поправка для совокупности мер. При тарировке и калибровке ко входу измерительной системы подключается источник эталонного сигнала известной величины. Например, процедура проверки чувствительности усилителя заключается в записи и регулировке амплитуды ответов каналов на подаваемое на вход напряжение, впоследствии сопоставляемое с амплитудой регистрируемых физиологических параметров. Другой пример – процедура проверки скорости движения бумаги на регистрирующем приборе с помощью счётчика времени.

Рандомизацией (от англ. random – случайный) называется превращение систематической погрешности в случайную. По методу рандомизации измерение изучаемой величины производится несколько раз (например многократные исследования физической работоспособности разными способами дозирования нагрузки). По окончании всех измерений их результаты усредняются по правилам математической статистики.

Случайные погрешности неустранимы ивозникают под действием разнообразных факторов, которые сложно заранее предсказать и учесть. Единственно, с помощью методов математической статистики можно оценить величину случайной погрешности и учесть её при интерпретации результатов измерения.

Кроме этого, необходимо учитывать ещё множество факторов, что представляет иногда довольно сложную задачу. При подготовке и проведении высокоточных измерений в метрологической практике учитывается влияние объекта измерения, субъекта (эксперта, или экспериментатора), средства измерения, условий измерения. Часть этих факторов исключается путём элементарных действий (см. выше).

Объект измерения должен быть достаточно изучен. Перед измерением необходимо представить себе модель исследуемого объекта, которая в дальнейшем, по мере поступления измерительной информации, может изменяться и уточняться. Чем полнее модель соответствует измеряемому объекту или исследуемому явлению, тем точнее измерение.

На качество измерений в спорте оказывают влияние множество переменных факторов: гелиогеофизические, биологические (внешние и внутренние), генетические, психологические, социально-экономические и мн. др.

Эксперт, или экспериментатор, вносит в процесс измерения элемент субъективизма, который по возможности должен быть уменьшен. Он зависит от квалификации экспериментатора, его психофизиологического состояния, соблюдения эргономических требований при измерениях. Как правило, к измерениям допускаются лица, прошедшие специальную подготовку, имеющие соответствующие знания, умения и практические навыки. В отдельных случаях их действия должны быть строго регламентированы.

К числу влияющих факторов относятся также условия измерений. Сюда входят температура окружающей среды, влажность, атмосферное давление, электрические и магнитные поля, напряжение в сети питания, тряска, вибрация и др.

Приведённые классификации далеко не исчерпывают всего многообразия факторов, влияющих на результат измерения.