Протоколирование амплитуды движений в суставах. Методика измерения амплитуд движений в суставах конечностей

14 мая

Выбор упражнений – одна из наиболее важных переменных при разработке тренировочной программы. Но упражнения с аналогичным названием могут выполняться с разной амплитудой движения в работающих суставах. При обсуждении преимуществ и недостатков техники выполнения упражнений среди специалистов часто возникают споры относительно амплитуды движения.

Краткое описание процедуры исследования

Для участия в эксперименте общей продолжительностью 12 недель привлекли 26 здоровых студентов-добровольцев (14 мужчин и 12 женщин; возраст от 18 до 26 лет), которые регулярно занимались рекреационной активностью (например, спортивными играми), но не проводили силовую тренировку ног последние 12 месяцев. Испытуемых случайным образом разделили на три группы: две группы выполняли аналогичные программы тренировок (см. таблицу 1) за исключением амплитуды движения и третья группа – контрольная (не тренировались в эти 12 недель).

Во всех упражнениях для мышц ног (различные виды приседаний, таблица 1) одна группа выполняла сгибание в коленном суставе 50º (короткая амплитуда), другая - 90º (большая амплитуда). Амплитуда сгибания контролировалась гониометром. Размер отягощения подбирался из расчёта максимального веса для выбранной амплитуды движения и уточнялся каждые 2 недели. Таким образом, в группе с короткой амплитудой движения размер отягощения был выше. Темп выполнения контролировали метрономом, по достижению необходимого угла в каждом повторении упражнений испытуемый делал остановку на 2 с, прежде чем начать концентрическую фазу движения.

Программа тренировок составлялась на основе рекомендаций Американского колледжа спортивной медицины для тренировки, увеличивающей массу мышц. Экспериментальные группы тренировались три раза в неделю: 2 раза в зале под руководством инструктора и 1 раз дома.

Изменения, произошедшие в результате тренировки, фиксировали каждые две недели эксперимента для сравнения с исходными значениями и контрольной группой. При помощи УЗИ на уровне 25, 50 и 75% от длины бедра контролировали: архитектуру мышц (длина сократительной части и угол перистости), анатомический поперечник и толщину подкожного жира. Функциональные способности оценивали на основании измерений максимального вращающего момента в коленных суставах при углах 30, 50, 60, 70, 75 и 90º (где выпрямленный коленный сустав - 0º).

Предполагалось, что в группе с большой амплитудой движения произойдут более значительное увеличение массы мышц и изменения других показателей за 8 недель тренировки, а негативные изменения от 4-недельной детренировки будут меньше.

Результаты

Как и ожидалось, в экспериментальных группах в результате 8 недель тренировок произошли статистически значимые изменения показателей, тогда как в контрольной группе изменений не отмечалось.

Анатомический поперечник мышц значительно увеличился на всех уровнях длины бедра (25, 50 и 75%) к моменту окончания тренировок. При этом в группе с большей амплитудой обнаруживалась тенденция к большему увеличению, однако статистически значимо поперечник увеличился только на уровне 75% длины бедра по сравнению с группой, которая занималась с короткой амплитудой (59% и 16%, соответственно). Интересно, что после двух недель детренировки достигнутый результат больше не отличался от контрольной группы, хотя превосходил исходный уровень и на 10 и на 12 неделе.

Угол перистости также увеличился на всех уровнях длины бедра, больше всего – на уровне 75% длины бедра, но вернулся к исходным значениям после 4 недель детренировки. И вновь проявлялась тенденция к большему увеличению в группе с большой амплитудой движения.

Длина сократительной части мышцы увеличилась на всех уровнях длины бедра и оставалась выше исходной в обеих группах, но в группе с большой амплитудой движения изменения были более значительными. Это может говорить о преимуществах большей амплитуды движения для реализации функционального потенциала мышцы, а также о том, что мышцы нетренированного человека имеют некоторую степень укорочения волокон.

Толщина подкожного жирового слоя уменьшилась к 8 неделе тренировок на всех трёх уровнях в обеих экспериментальных группах. На уровне 25% длины бедра уменьшения были большие в группе с большой амплитудой после 8 недели, но к 12 неделе они стали несущественны. На уровне 50% большее уменьшение наблюдалось в группе с большой амплитудой, и оно превосходило исходное значение даже на 12 неделе, тогда как в группе с короткой амплитудой уже на 10 неделе исходный уровень восстановился. На уровне 75% длины бедра в обеих группах произошло значительное уменьшение, которое сохранилось после 12 недели, но большее в группе с большой амплитудой.

В таблице 2 наглядно показано преимущество упражнений, которые выполняются с большей амплитудой движения для увеличения силы мышц. В группе с короткой амплитудой движения статистически значимых изменений вращающего момента не фиксировалось при углах 30, 75, и 90º. В группе с большой амплитудой зафиксированы изменения и большие по величине, и произошли они во всех контролируемых углах.

Обсуждение результатов

Наиболее важный результат исследования: выполнение различных видов приседаний с амплитудой сгибания колена на 90о приводит к более существенным морфологическим, архитектурным и функциональным изменениям в латеральной широкой мышце бедра по сравнению с амплитудой сгибания на 50º.

Авторы полагали, что большая гипертрофия скелетных мышц при амплитуде 90º произойдёт вследствие увеличения физиологического стресса и растяжения саркомеров, а увеличение массы мышц после тренировки будет существенным после периода детренировки. Результаты эксперимента подтвердили гипотезу лишь отчасти: масса мышц действительно увеличилась спустя 8 недель (больше в группе с амплитудой 90º), но это увеличение не было существенным по сравнению с контрольной группой спустя 12 недель (т.е. после 4 недель детренировки).

Расчёты показали, что в группе с короткой амплитудой движения абсолютная нагрузка была больше на 10 – 25% и оказала внешнее стрессовое воздействие выше примерно на 32%. Несмотря на это, в группе с большой амплитудой движения зафиксированы более значительные изменения. Часто в практической деятельности тренеры делают акцент именно на поднимаемом весе, жертвуя амплитудой движения с целью вызывать большую адаптационную реакцию мышц. Тем не менее, полученные данные опровергают эффективность подобной стратегии без учёта внутренней механики мышц.

Это не первое исследование влияния длины мышцы при сокращении на адаптацию. В предыдущем исследовании Kubo et al (26), сравнивали изменения, произошедшие в результате изометрической тренировки разгибателей колена под углами 50 или 100º. В их эксперименте отмечалось меньшее относительное увеличение размеров латеральной широкой мышцы. При этом в исследовании Kubo et al (26) гипертрофия была большей при тренировке с углом 50º. Вероятно, эти расхождения результатов объясняются: 1) большим в 2,3 раза максимальным произвольным усилием под углом 500 по сравнению с углом 100º; 2) различием режима работы мышц; 3) различием в гормональной реакции на глобальные и локальные упражнения; 4) специфичной региону гипертрофией.

Последний пункт нуждается в более подробном объяснении. Крупные мышцы человека способны активироваться отдельными функциональными сегментами. Так, у четырёхглавой мышцы выделяют, по крайней мере, 7 крупных сегментов, каждый из которых может выполнять свою функцию относительно обособленно от других. Это приводит к так называемой «региональной гипертрофии», которая обычно возникает при биомеханических ограничениях движения. Если рассматривать исследование Kubo et al (26), то изометрические сокращения при меньшей длине мышцы могли вызвать большее увеличение дистальной порции латеральной широкой мышцы, что и привело к расхождению между результатами исследований.

Обнаруженное увеличение сократительной части мышцы обычно связано с добавлением последовательно соединённых саркомеров в мышце при неизменной длине саркомеров. По-видимому, подобную адаптацию вызывает растягивание мышц (12, 46, 50). Результаты, полученные в обсуждаемом исследовании, подтверждают увеличение длины сократительной части мышцы в ответ на тренировку с большей амплитудой. Увеличение длины сократительной части положительно влияет на зависимость «сила-скорость мышц», позволяя спортсмену проявлять большую мощность сокращения.

В обеих экспериментальных группах зафиксировано увеличение угла перистости мышц на всех трёх уровнях длины. Больший угол перистости позволяет компактней расположить волокна мышцы. Несмотря на то, что разница между группами не достигла статистической значимости, большее увеличение угла перистости в группе с большой амплитудой отчасти объясняет обнаруженные преимущества в увеличении вращающего момента.

Отмеченное большее уменьшение подкожного жирового слоя в группе с большой амплитудой движения авторы исследования считают следствием физиологического влияния на обменные процессы. По-видимому, большая амплитуда вызывала более значительное повышение активности протеинкиназы, активированной аденозинмонофосфатом (AMPK) (9), которая, в свою очередь, опосредует влияние интерлейкина-6 на утилизацию глюкозы и окисление жиров. Кроме того, активность АМРКа2 зависит от интенсивности воздействия (7), поэтому большее удлинение мышцы может влиять на факторы, регулирующие жироотложение. Уменьшение подкожного жирового слоя помогает улучшить результаты в видах спорта, где масса тела оказывает существенное влияние на экономичность движения, например, бег на субмаксимальной скорости (8).

Вторым направлением исследования было выяснение влияния 4-недельной детренировки на результаты. Во всех измеряемых параметрах наблюдалось существенное уменьшение. Несмотря на то, что различия между группами не достигли статистической значимости, в группе с большой амплитудой движения наблюдали большие снижения биомеханических параметров мышц за период детренировки. Это согласуется с данными другого исследования. Эксперимент включал тренировки пожилых людей средней и высокой интенсивности в течение 12 недель, за которыми следовали 12 недель детренировки. Интересно отметить, что увеличение силы и поперечника мышц было существенно выше в группе, которая тренировалась интенсивно, и, несмотря на большее уменьшение в период детренировки, результаты всё равно превышали показатели группы с умеренной интенсивностью занятий (47).

Получено подтверждение, что после детренировки группа с большой амплитудой движения демонстрировала силу, превышающую исходный уровень. В группе, выполнявшей упражнения с короткой амплитудой, существенных различий в силе мышц между исходным уровнем и спустя 12 недель, не выявлено.

Авторы полагают, что увеличение амплитуды приводит к повышенной стимуляции белкового синтеза в мышцах, что, с одной стороны, приводит к большему приросту в период тренировок, а с другой – к большему уменьшению после прекращения воздействия.

Следует особо отметить, что перед началом концентрической фазы сокращения в каждом повторении испытуемые выполняли паузу в 2 секунды. Кроме того, каждое повторение с большой амплитудой выполнялось дольше на 0,25 – 0,5 с. Требуются дополнительные исследования для выяснения влияния этих факторов на адаптацию мышц.

Авторы исследования рекомендуют тренерам обращать внимание на амплитуду движения при планировании и выполнении тренировочных программ. Часто тренеры жертвуют амплитудой для обеспечения большей механической нагрузки и, как они полагают, большего стимула, но на самом деле эффект противоположный. Большая амплитуда движений предпочтительнее для увеличения силы и массы мышц даже при меньшей абсолютной нагрузке (размере отягощения). Кроме того, увеличение длины сократительной части, поперечника, угла перистости и силы мышц при разных углах положительно сказывается на функциональных способностях скелетных мышц и способствует увеличению спортивных результатов.

Увеличивать амплитуду движения следует с осторожностью. Необходимо принимать во внимание все суставы, участвующие в движении. В приведённом исследовании рассматривался только коленный сустав, тогда как для принятия окончательного решения об амплитуде приседаний необходимо учитывать функциональные способности голеностопных, тазобедренных, позвоночных и даже плечевых суставов (в случае приседания со штангой).

На основе статьи: McMahon GE, Morse CI, Burden A, Winwood K and Onambele´ GL. Impact of range of motion during ecologically valid resistance training protocols on muscle size, subcutaneous fat, and strength. J Strength Cond Res 28(1): 245–255, 2014. Обзор подготовлен экспертом FPA C. Струковым.

(лат. amplitude — величина) — это наибольшее отклонение колеблющегося тела от положения равновесия.

Для маятника это максимальное расстояние, на которое удаляется ша-рик от своего положения равновесия (рисунок ниже). Для колебаний с малыми амплитудами за такое расстояние можно принимать как длину дуги 01 или 02, так и длины этих отрезков.

Амплитуда колебаний измеряется в единицах длины — метрах , санти-метрах и т. д. На графике колебаний амплитуда определяется как макси-мальная (по модулю) ордината синусоидальной кривой, (см. рис. ниже).

Период колебаний.

Период колебаний — это наименьший промежуток времени, через который система, соверша-ющая колебания, снова возвращается в то же состояние, в котором она находилась в начальный момент времени, выбранный произвольно.

Другими словами, период колебаний (Т ) — это время, за которое совершается одно полное ко-лебание. Например, на рисунке ниже это время, за которое грузик маятника перемещается из крайней правой точки через точку равновесия О в крайнюю левую точку и обратно через точку О снова в крайнюю правую.

За полный период колебаний, таким образом, тело проходит путь, равный четы-рем амплитудам. Период колебаний измеряется в единицах времени — секундах , минутах и т. д. Период колебаний может быть определен по известному графику колебаний, (см. рис. ниже).

Понятие «период колебаний», строго говоря, справедливо, лишь когда значения колеблющей-ся величины точно повторяются через определенный промежуток времени, т. е. для гармоничес-ких колебаний. Однако это понятие применяется также и для случаев приблизительно повторяю-щихся величин, например, для затухающих колебаний .

Частота колебаний.

Частота колебаний — это число колебаний, совершаемых за единицу времени, например, за 1 с .

Единица частоты в СИ названа герцем (Гц ) в честь немецкого физика Г. Герца (1857-1894). Если частота колебаний (v ) равна 1 Гц , то это значит, что за каждую секунду совершается одно колебание. Частота и период колебаний связаны соотношениями:

В теории колебаний пользуются также понятием циклической , или круговой частоты ω . Она связана с обычной частотой v и периодом колебаний Т соотношениями:

.

Циклическая частота — это число колебаний, совершаемых за 2π секунд.

Измерение амплитуд движений в крупных суставах конечностей обычно производят при помощи угломеров различных систем (например, угломера на шарнире). Измерение же амплитуд движений в мелких суставах конечностей выполняют с большим трудом и значительными погрешностями. Измерение ротационной подвижности, а также пронации и супинации при помощи обычных угломеров вообще невозможно. Ошибка измерений даже в крупных суставах в отдельных случаях может достигать 5°.

Методика измерений движений в суставах при помощи угломеров излагается во многих учебниках и специальных руководствах.

Гониометрическая методика позволяет легко и с достаточной точностью производить исследования амплитуд движений во всех суставах конечностей, в том числе и мелких (например, в суставах кисти), а также измерять амплитуды ротации, пронации и супинации.

Сегмент конечности, амплитуду движений которого надо определить, устанавливают сначала в вертикальное или горизонтальное положение и определяют, амплитуду его движений при максимальном сгибании, разгибании и отведении от этого исходного положения. Ножку циркуля-гониометра при этом приставляют к определенным анатомическим точкам на дистальном и париетальном концах этого сегмента. При наличии контрактуры учитывают угол ее.

Приводим основные правила измерения подвижности в суставах конечностей:
1. При измерении амплитуд сгибания, разгибания и отведения плеча ножки циркуля ставят на головку и латеральный надмыщелок плечевой кости. Исходное положение плеча вертикальное. При нефиксированной лопатке определяют суммарную амплитуду движений (плеча и лопатки). Может быть измерена также амплитуда ротации плеча внутрь (пронации) и кнаружи (супинации). Для этого просят испытуемого поднять прямую конечность вперед до горизонтали и сориентировать кисть большим пальцем кверху. Ножки циркуля ставят на локтевую наружную и локтевую внутреннюю точки (наиболее выступающие точки на медиальном и латеральном мыщелках плечевой кости). Измеряют углы ротации от исходного положения.

2. При измерении амплитуды сгибания предплечья в локтевом суставе ножки циркуля ставят на локтевой и шиловидный отростки локтевой кости. Измеряют амплитуду максимального от исходного вертикального (вниз) положения предплечья. При измерении пронации и супинации предплечья в радиоульнарном суставе плечо фиксируют в вертикальном положении (вниз), предплечье - в горизонтальном, кисть располагают большими пальцами кверху. Ножки циркуля ставят на наиболее выступающие точки шиловидных отростков радиальной и ульнарной кости (рис. 23).

Рис. 23. Измерение амплитуд супинационно-пронационной подвижности в радиоульнарном суставе.

3. При измерении амплитуд сгибания, разгибания, приведения и отведения кисти в лучезапястном суставе ножки циркуля ставят на головку III пястной кости и на середину линии, соединяющей радиальную и ульнарную шиловидные точки, предплечье располагают на горизонтальной подставке. Для измерения приведения и отведения кисть в исходном положении ориентируют большим пальцем кверху. Измеряют углы максимального отклонения от исходного положения. Если кисть в своем движении в тыльную сторону не доходит до горизонтали (контрактура), то учитывают показатель этой контрактуры. Например, если сгибание кисти равно-70° и кисть не может быть поднята до горизонтали на 20°, то амплитуда движения ее составляет 70-20 = 50° (рис. 24).


Рис. 24. Схема измерения амплитуды сгибания в лучезапястном суставе.

4. Амплитуду сгибания и разгибания основных фаланг II-V пальцев в пястно-фаланговых суставах измеряют от горизонтального исходного положения. Ножки циркуля ставят на головки пястных костей соответствующих фаланг. Могут быть измерены также амплитуды приведения и отведения пальцев.

Аналогичным образом можно измерить амплитуды движений в средне-фаланговых суставах. Гониометром может быть также измерена подвижность фаланг большого пальца.

5. Амплитуды сгибания, разгибания, отведения и приведения бедра (рис. 25, 26) могут быть измерены в положении и стоя и лежа при согнутой или выпрямленной в коленном суставе ноге. Ножки циркуля ставят на латеральный надмыщелок бедра и верхушку большого вертела. При измерениях стоя (измеряют амплитуды сгибания, разгибания, отведения и приведения бедра при выпрямленном колене) исходное положение бедра вертикальное. При измерении лежа (измеряют амплитуды сгибания бедра при согнутом и выпрямленном колене, амплитуды разгибания, отведения и приведения при выпрямленном колене) исходное положение бедра горизонтальное. Измеряют углы максимального отклонения от исходного положения. Результаты измерений в различных исходных положениях несколько разнятся.


Рис. 25. Измерение амплитуды сгибания в тазобедренном суставе при выпрямленном колене в положении лежа.


Рис. 26. Измерение амплитуды сгибания в тазобедренном суставе при выпрямленном колене в положении стоя.

При помощи гониометра может быть также произведено измерение ротации бедра кнаружи (супинации) и внутрь (пронации). Эти измерения производят в положении лежа. Ножки циркуля ставят на наружную и внутреннюю коленные точки. Измеряют угол наклона линии, соединяющей эти точки, при повороте бедра кнаружи и внутрь.

6. Амплитуду сгибания голени лучше измерять в положении лежа на животе. Ножки циркуля ставят на конец латеральной лодыжки и верхушку головки малой берцовой кости. При наличии контрактуры предварительно измеряют показатель этой контрактуры.

7. Амплитуды движений стопы в голеностопном суставе (сгибание, разгибание, отведение и приведение) измеряют в положении приведения стопы. Ножки циркуля ставят плашмя на подошвенную поверхность стопы; диск гониометра ориентируют в плоскости движения стопы. При наличии контрактуры, если стопа не может быть установлена под прямым углом к оси голени, учитывают угол (показатель) этой контрактуры (рис. 27).


Рис. 27. Измерение амплитуды сгибания в голеностопном суставе.

Измерение пронации и супинации стопы проводят в вертикальном исходном положении голени. Ножки циркуля ставят на наружную и внутреннюю плюсневые точки. Определяют углы отклонения при ротации от исходного горизонтального положения стопы. Гониометром могут быть измерены также амплитуды сгибания, разгибания, приведения и отведения пальцев стопы.

Определение нужной амплитуды движения - что никоим образом не является уникальным элементом системы ДТСП - жизненно важно, как для безопасности, так и для получения желаемого эффекта от тренировки. Упражнение необходимо часто видоизменять под индивидуальные потребности. Тренировка в оптимальном положении - очень продвинутая

нижнюю и верхнюю половины туловища с применением концепций, описанных в данной книге. По мере накопления опыта эффективной работы с положением тела вы узнаете новые способы и поймете, как можно иначе последовательно увеличивать нагрузки в тренировочных программах.

техника, которая подходит лишь в случае, когда тяжелоатлет значительное время уделил подготовке и теперь ему нужно найти оптимальное положение, чтобы достичь целей тренировки.

Начав менять положение тела и плоскость движения, мы часто обнаруживаем значительные изменения в уровнях устойчивости. Чтобы выполнять более сложные движения и реализовать тренировочные концепции, а также добавить дополнительные уровни последовательности, можно незначительно менять амплитуду движения.

Хороший пример - становая тяга с выпадом в бок. Это эффективное упражнение системы ДТСП, которое учит выполнять базовые движения в разных плоскостях. Однако переход от более устойчивого положения в сагиттальной плоскости к менее устойчивой фронтальной требует хорошо развитой координации и устойчивости. Чтобы выдержать новую нагрузку на тело, мы можем начать с простого движения - небольшого шага вбок. И хотя это кажется очевидным, я часто видел, как спортсмены пытаются выполнить движение «идеально». В результате они создают такой неустойчивый момент, что им не удается качественно выполнить упражнение и получить от него хоть какую-то пользу.

Смена амплитуды движения упрощает задачу добавления последовательных этапов тренировки и привносит разнообразие в процесс, сохраняя его целенаправленность. Амплитуда движения влияет на легкость восприятия упражнения. Эту стратегию можно использовать для увеличения ощущаемой нагрузки упражнения и веса. Наглядный пример - одно из любимых базовых упражнений системы ДТСП, приседания «медвежья хватка».

Из-за нагрузки, создаваемой в положении приседания «медвежья хватка», мы часто видим, что тяжелоатлеты достигают намного более глубокого, чем обычно, положения в приседе.

Когда это удается, они тем самым расширяют амплитуду движения и повышают сложность приседаний. Это еще один способ добиться того, чтобы один и тот же вес казался тяжелее, - заставлять людей постепенно увеличивать амплитуду движения.

Другой пример - использование амплитуды движения для достижения конкретных целей. В мире такого олимпийского вида спорта, как тяжелая атлетика, спортсмены поднимают веса с разных уровней, чтобы отработать их под разными углами и развить разные навыки. А спортсмены, не занимающиеся тяжелой атлетикой, выполняя жим и тягу, поднимают веса из более высокого положения, чтобы отработать скорость нарастания силы. Попросту говоря, это скорость, при которой спортсмен способен развивать силу. Поскольку во многих видах спорта сила производится за считанные миллисекунды, великому спортсмену недостаточно просто произвести большой объем силы. Нужно быть способным сделать это как можно быстрее.

В системе упражнений ДТСП мы можем учесть этот момент, оптимизируя габариты универсального мешка с песком. По мере того как он становится тяжелее, амплитуда движений в упражнениях жим и тяга уменьшается. Это значит, что нам не обязательно увеличивать вес, чтобы усложнить упражнения по системе ДТСП или сделать акцент на развитии отдельных навыков. Простое изменение габаритов универсального мешка с песком открывает перед нами те же возможности, но с дополнительными уникальными преимуществами.

Важнейшим параметром, характеризующим механические, звуковые, электрические, электромагнитные и все другие виды колебаний, является период - время, в течение которого совершается одно полное колебание. Если, например, маятник часов-ходиков делает за 1 с два полных колебания, период каждого колебания равен 0,5с. Период колебаний больших качелей около 2 с, а период колебаний струны может составлять от десятых до десятитысячных долей секунды.

Рисунок 2.4 - Колебание

где: φ – фаза колебания, I – сила тока, Ia – амплитудное значение силы тока (амплитуда)

Т – период колебания силы тока (период)

Другим параметром, характеризующим колебания, является частота (от слова «часто») - число, показывающее, сколько полных колебаний в секунду совершают маятник часов, звучащее тело, ток в проводнике и т.п. Частоту колебаний оценивают единицей, носящей название герц (сокращенно пишут Гц): 1 Гц-это одно колебание в секунду. Если, например, звучащая струна совершает 440 полных колебаний в 1 с (при этом она создает тон «ля» третьей октавы), говорят, что частота ее колебаний 440 Гц. Частота переменного тока электроосветительной сети 50 Гц. При этом токе электроны в проводах сети в течение секунды текут попеременно 50 раз в одном направлении и столько же раз в обратном, т.е. совершают за 1 с 50 полных колебаний.

Более крупные единицы частоты - килогерц (пишут кГц), равный 1000 Гц и мегагерц (пишут МГц), равный 1000 кГц или 1 000 000 Гц.

Амплитуда - максимальное значение смещения или изменения переменной величины при колебательном или волновом движении. Неотрицательная скалярная величина, измеряется в единицах, зависящих от типа волны или колебания.

Рисунок 2.5 - Синусоидальное колебание.

где, y - амплитуда волны, λ - длина волны.

Например:

    амплитуда для механического колебания тела (вибрация), для волн на струне или пружине - это расстояние и записывается в единицах длины;

    амплитуда звуковых волн и аудио-сигналов обычно относится к амплитуде давления воздуха в волне, но иногда описывается как амплитуда смещения относительно равновесия (воздуха или диафрагмы говорящего). Её логарифм обычно измеряется в децибелах (дБ);

    для электромагнитного излучения амплитуда соответствует величине электрического и магнитного поля.

Форма изменения амплитуды называется огибающей волной .

Звуковые колебания

Как возникают звуковые волны в воздухе? Воздух состоит из невидимых глазам частиц. При ветре они могут переноситься на большие расстояния. Но они, кроме того, могут и колебаться. Например, если в воздухе сделать резкое движение палкой, то мы почувствуем легкий порыв ветра и одновременно услышим слабый звук. Звук это - результат колебаний частиц воздуха, возбужденных колебаниями палки.

Проведем такой опыт. Оттянем струну, например, гитары, а потом отпустим ее. Струна начнет дрожать - колебаться около своего первоначального положения покоя. Достаточно сильные колебания струны заметны на глаз. Слабые колебания струны можно только почувствовать как легкое щекотание, если прикоснуться к ней пальцем. Пока струна колеблется, мы слышим звук. Как только струна успокоится, звук затихнет. Рождение звука здесь - результат сгущения и разрежения частиц воздуха. Колеблясь из стороны в сторону, струна теснит, как бы прессует перед собой частицы воздуха, образуя в некотором его объеме области повышенного давления, а сзади, наоборот, области пониженного давления. Это и есть звуковые волны . Распространяясь в воздухе со скоростью около 340 м/с , они несут в себе некоторый запас энергии. В тот момент, когда до уха доходит область повышенного давления звуковой волны, она надавливает на барабанную перепонку, несколько прогибая ее внутрь. Когда же до уха доходит разреженная область звуковой волны, барабанная перепонка выгибается несколько наружу. Барабанная перепонка все время колеблется в такт с чередующимися областями повышенного и пониженного давления воздуха. Эти колебания передаются по слуховому нерву в мозг, и мы воспринимаем их как звук. Чем больше амплитуды звуковых волн, тем больше энергии несут они в себе, тем громче воспринимаемый нами звук.

Звуковые волны, как и водяные или электрические колебания, изображают волнистой линией - синусоидой. Ее горбы соответствуют областям повышенного давления, а впадины-областям пониженного давления воздуха. Область повышенного давления и следующая за нею область пониженного давления образуют звуковую волну.

По частоте колебаний звучащего тела можно судить о тоне или высоте звука. Чем больше частота, тем выше тон звука, и наоборот, чем меньше частота, тем ниже тон звука. Наше ухо способно реагировать на сравнительно небольшую полосу (участок) частот звуковых колебаний - примерно от 20 Гц до 20 кГц . Тем не менее эта полоса частот вмещает всю обширнейшую гамму звуков, создаваемых голосом человека, симфоническим оркестром: от очень низких тонов, похожих на звук жужжания жука, до еле уловимого высокого писка комара. Колебания частотой до 20 Гц, называемые инфразвуковыми , и свыше 20 кГц, называемые ультразвуковыми , мы не слышим. А если бы барабанная перепонка нашего уха оказалась способной реагировать и на ультразвуковые колебания, мы могли бы тогда услышать писк летучих мышей, голос дельфина. Дельфины издают и слышат ультразвуковые колебания с частотами до 180 кГц.

Но нельзя путать высоту, т.е. тон звука с его силой. Высота звука зависит не от амплитуды, а от частоты колебаний. Толстая и длинная струна музыкального инструмента, например, создает низкий тон звука, т.е. колеблется медленнее, чем тонкая и короткая струна, создающая высокий тон звука (рис. 1).

Рисунок 2.6 - Звуковые волны

Чем больше частота колебаний струны, тем короче звуковые волны и выше тон звука.

В электро - и радиотехнике используют переменные токи частотой от нескольких герц до тысяч гигагерц. Антенны широковещательных радиостанций, например, питаются токами частотой примерно от 150 кГц до 100 МГц.

Эти быстропеременные колебания, называемые колебаниями радиочастоты, и являются тем средством, с помощью которого осуществляется передача звуков на большие расстояния без проводов.

Весь огромный диапазон переменных токов принято подразделять на несколько участков - поддиапазонов.

Токи частотой от 20 Гц до 20 кГц, соответствующие колебаниям, воспринимаемым нами как звуки разной тональности, называют токами (или колебаниями) звуковой частоты , а токи частотой выше 20 кГц - токами ультразвуковой частоты .

Токи частотой от 100 кГц до 30 МГц называют токами высокой частоты ,

Токи частотой выше 30 МГц - токами ультравысокой и сверхвысокой частоты.



 

Возможно, будет полезно почитать: