УЧЕБНИК ДЛЯ ВУЗОВ.

В.И. ДУБРОВСКИЙ, В.Н. ФЕДОРОВА

Москва

Рецензенты:

доктор биологических наук, профессор А.Г. Максина; доктор технических наук, профессор В.Д. Ковалев;

кандидат медицинских наук, лауреат Государственной премии СССР

И.Л. Баднин

Рисунки выполнены художником Н.М. Замешаевой

Дубровский В.И., Федорова В.Н.

Биомеханика: Учеб. для сред, и высш. учеб, заведений. — М.: Изд-во ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003. — 672 с.: ил. ISBN 5-305-00101-3.

Учебник написан в соответствии с новой программой изучения биомеханики в высших учебных заведениях. Большое внимание уделено биомеханическому обоснованию применения средств физической культуры и спорта на примере различных видов спорта. Отражены современные подходы к оценке воздействия на технику спортсмена различных физических и климатических факторов, дана биомеханическая характеристика различных видов спорта. Впервые представлены разделы по медицинской биомеханике , биомеханике инвалидов-спортсменов, биомеханическому контролю локомоций и др.

Учебник адресован студентам факультетов физической культуры университетов, институтов физической культуры и медицинских вузов, а также тренерам, спортивным врачам, реабилитологам, занимающимся разработкой и прогнозированием тренировок, лечением и реабилитацией спортсменов и другим специалистам.

© Дубровский В.И., Федорова В.Н., 2003 © «Издательство ВЛАДОС-ПРЕСС», 2003 © Серийное оформление обложки. ISBN 5-305-00101-3 «Издательство ВЛАДОС-ПРЕСС», 2003

ПРЕДИСЛОВИЕ

Любая отрасль человеческих знаний, в том числе такая дисциплина как биомеханика, оперирует некоторым набором исходных определений, понятий и гипотез. С одной стороны, используются фундаментальные определения из математики, физики, общей механики. С другой — биомеханика базируется на данных экспериментальных исследований, важнейшими из которых являются оценка различных видов двигательной деятельности человека, управления ими; определение свойств биомеханических систем при различных способах деформирования; результаты, полученные при решении медико-биологических задач.

Биомеханика находится на стыке разных наук: медицины, физики, математики, физиологии, биофизики, вовлекая в свою сферу различных специалистов, таких как инженеры, конструкторы, технологи, программисты и др.

Биомеханика спорта как учебная дисциплина изучает как движения человека в процессе выполнения физических упражнений, во время соревнований, так и движения отдельных спортивных снарядов.

Существенное значение в современном спорте и физической культуре придается механической прочности, устойчивости тканей опорно-двигательного аппарата, органов, тканей к многократным физическим нагрузкам, особенно при тренировках в экстремальных условиях (среднегорье, высокая влажность, низкая и высокая температура, гипотермия, изменение биоритмов) с учетом телосложения, возраста, пола, функционального состояния человека. Все эти данные могут быть использованы в совершенствовании методики и техники выполнения тех или иных упражнений и тренировочных систем, а также в совершенствовании инвентаря, экипировки и других факторов.

Физическая культура и спорт в нашей стране в последнее десятилетие утратили свое влияние. Это никак не способствует укреплению здоровья человека. Это также сказывается в виде снижения способности противостоять негативным факторам окружающей среды.

Значение спорта во все времена было существенным в предупреждении преждевременного старения, в восстановлении функциональных возможностей организма после болезней и травм.

С развитием науки медицина активно внедряет ее достижения, разрабатывая новые методы лечения, оценки их эффективности, новые методики диагностики. Это, в свою очередь, обогащает спортивную медицину и физическую культуру. В данном учебнике предложены знания физических основ многих вопросов спортивной медицины, которые необходимы преподавателю физкультуры, тренеру, спортивному врачу, массажисту. Эти знания не менее важны, чем знания основ тренировочного процесса. В зависимости от того, как понимается физическая сущность того или иного направления спортивной медицины, в совокупности с медицинскими аспектами можно прогнозировать, дозировать оздоровительный (лечебный) эффект, а также уровень спортивных достижений.

В лечебной физической культуре применяются различные физические упражнения, реализуемые в том или ином виде спорта.

В данном учебнике, по сравнению с ранее вышедшими, впервые для биомеханики спорта изложен материал, показывающий применение законов фундаментальной физики ко многим конкретным направлениям этой дисциплины. Рассмотрены вопросы: кинематика, динамика материальной точки, динамика поступательного движения, виды сил в природе, динамика вращательного движения, неинерциальные системы отсчета, законы сохранения, механические колебания, механические свойства. Представлен большой раздел, показывающий физические основы воздействия различных факторов (механических, звуковых, электромагнитных, радиационных, тепловых), понимание физической сущности которых совершенно необходимо для рационального решения многих задач спортивной медицины.

Профессор В.И. Дубровский и профессор В.Н. Федорова помимо биомеханических методов контроля лиц, занимающихся физкультурой и спортом, представили биомеханические показатели в норме и при патологии (травмы и заболевания опорно-двигательного аппарата, при утомлении и др.), а также при тренировке в экстремальных условиях, у инвалидов-спортсменов и др.

Многие вопросы освещены авторами с учетом развития спорта высших достижений, инвалидного спорта, биомеханики спортивной травмы, различных возрастных периодов развития, с учетом телосложения и техники выполнения тех или иных упражнений в различных видах спорта.

В книге показаны основные направления в развитии биомеханики с использованием современных методов контроля: стационарный и дистанционный контроль за локомоциями; разработка современных технологий инвентаря, экипировки; техники выполнения физических упражнений в различных видах спорта; контроль за выполнением упражнений инвалидами-спортсменами; биомеханический контроль при травмах и заболеваниях опорно-двигательного аппарата и др.

По существу, в каждой главе учебника авторы подчеркивают, что, чтобы успешно выступать на соревнованиях, спортсмен должен владеть рациональной техникой выполнения упражнения, понимая его медико-физическую сущность, должен быть оснащен современной экипировкой, спортинвентарем, должен быть хорошо подготовлен функционально и здоров.

Особое место в учебнике отведено влиянию интенсивных физических нагрузок на структурные (морфологические) изменения в тканях опорно-двигательного аппарата, особенно если несовершенна техника выполнения физических упражнений и методы ее коррекции. Отмечено, что реакция тканей ОДА на физические нагрузки во многом зависит от техники выполнения упражнений, телосложения, возраста, функционального состояния, климато-географических факторов и т. п.

Авторы большое внимание уделяют возможностям использования математических и физических моделей как для различных упражнений, так и для отдельных участков и систем организма человека, в частности, спортсмена, а также тела в целом, для прогнозирования реакций организма на физические нагрузки и различные неблагоприятные факторы воздействия внешней среды. Телосложение, возраст важны для расчетной и модельной оценки пределов переносимости этих воздействий с учетом разнообразных дополнительных факторов.

У нас в стране и за рубежом до сих пор нет учебника, где были бы систематизированы материалы как по теоретическим физико-математическим основам биомеханики спорта, так и по биомеханике в норме и при патологии, с учетом возраста, пола, телосложения и функционального состояния лиц, занимающихся физкультурой и спортом. Особенно это важно при занятии спортом высших достижений, где требования к технике выполнения упражнений исключительные, и малейшие отклонения ведут к травматизму, иногда к инвалидности, снижению спортивных результатов.

Учебник «Биомеханика» отвечает современным требованиям, предъявляемым к учебникам по медико-биологическим дисциплинам, единым для педагогических, медицинских вузов и институтов физической культуры.

Большое количество информационных таблиц, рисунков, схем, однотипное и четкое разделение материала по структуре в каждой главе, выделенные лаконичные определения делают излагаемый материал очень наглядным, интересным, легко воспринимаемым и запоминаемым.

Этот учебник позволит студентам, тренерам, врачам, методистам ЛФК, преподавателям физкультуры лучше познать основы спортивной биомеханики, спортивной медицины, лечебной физкультуры, а следовательно, успешно и активно использовать их в своей работе. Этот учебник может быть рекомендован знатокам прикладной механики, специализирующимся по биомеханике.

Заведующий кафедрой теоретической механики Пермского государственного технического университета,

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации

Ю.И. Няшин

ВВЕДЕНИЕ

Биомеханика движений человека представляет собой одну из частей более общей дисциплины, кратко называемой «биомеханика».

Биомеханика — это раздел биофизики, в котором изучаются механические свойства тканей, органов и систем живого организма и механические явления, сопровождающие процессы жизнедеятельности. Пользуясь методами теоретической и прикладной механики, эта наука исследует деформацию структурных элементов тела, течение жидкостей и газов в живом организме, движение в пространстве частей тела, устойчивость и управляемость движений и другие вопросы, доступные указанным методам. На основе этих исследований могут быть составлены биомеханические характеристики органов и систем организма, знание которых является важнейшей предпосылкой для изучения процессов регуляции. Учет биомеханических характеристик дает возможность строить предположения о структуре систем, управляющих физиологическими функциями. До последнего времени основные исследования в области биомеханики были связаны с изучением движений человека и животных. Однако сфера приложения этой науки прогрессивно расширяется; сейчас она включает в себя также изучение дыхательной системы, системы кровообращения, специализированных рецепторов и т. д. Интересные данные получены при изучении эластичного и неэластичного сопротивления грудной клетки, движений газов через дыхательные пути. Предпринимаются попытки обобщенного подхода к анализу движения крови с позиций механики сплошных сред, в частности, изучаются упругие колебания сосудистой стенки. Доказано также, что с точки зрения механики структура сосудистой системы оптимальна для выполнения своих транспортных функций. Реологические исследования в биомеханике обнаружили специфические деформационные свойства многих тканей тела: экспоненциальную нелинейность связи между напряжениями и деформациями, существенную зависимость от времени и т. д. Полученные знания о деформационных свойствах тканей помогают решению некоторых практических задач, в частности, они используются при создании внутренних протезов (клапаны, искусственное сердце, сосуды и пр.). Особенно плодотворно применяется классическая механика твердого тела в изучении движений человека. Часто под биомеханикой понимают именно это ее приложение. При изучении движений биомеханика использует данные антропометрии, анатомии, физиологии нервной и мышечной систем и других биологических дисциплин. Поэтому часто, может быть, в учебных целях, в биомеханику ОДА включают его функциональную анатомию, а иногда и физиологию нервно-мышечной системы, называя это объединение кинезиологией.

Количество управляющих воздействий в нервно-мышечной системе огромно. Тем не менее, нервно-мышечная система обладает удивительной надежностью и широкими компенсаторными возможностями, способностью не только многократно повторять одни и те же стандартные комплексы движений (синергии), но и выполнять стандартные произвольные движения, направленные на достижение определенных целей. Помимо способности организовать и активно заучивать необходимые движения, нервно-мышечная система обеспечивает приспособляемость к быстро меняющимся условиям окружающей и внутренней среды организма, изменяя применительно к этим условиям привычные действия. Эта вариативность имеет не только пассивный характер, но обладает чертами активного поиска, осуществляемого нервной системой, когда она добивается наилучшего решения поставленных задач. Перечисленные способности нервной системы обеспечиваются переработкой в ней информации о движениях, которая поступает по обратным связям, образованным сенсорной афферентацией. Деятельность нервно-мышечной системы отражается во временной, кинематической и динамической структурах движения. Благодаря этому отражению становится возможным, наблюдая механику, получить информацию о регуляции движений и ее нарушениях. Такой возможностью широко пользуются при диагностике заболеваний, в нейрофизиологических исследованиях с помощью специальных тестов при контроле двигательных навыков и обученности инвалидов, спортсменов, космонавтов и в ряде других случаев.

Глава 1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ БИОМЕХАНИКИ

Биомеханика — одна из самых старых ветвей биологии. Ее истоками были работы Аристотеля и Галена, посвященные анализу движений животных и человека. Но только благодаря работам одного из самых блистательных людей эпохи Возрождения — Леонардо да Винчи (1452—1519) — биомеханика сделала свой следующий шаг. Леонардо особенно интересовался строением человеческого тела (анатомией) в связи с движением. Он описал механику тела при переходе из положения сидя к положению стоя, при ходьбе вверх и вниз, при прыжках и, по-видимому, впервые дал описание походок.

Р. Декарт (1596—1650) создал основу рефлекторной теории, показав, что причиной движений может быть конкретный фактор внешней среды, воздействующий на органы чувств. Этим объяснялось происхождение непроизвольных движений.

В дальнейшем большое влияние на развитие биомеханики оказал итальянец Д. Борелли (1608—1679) — врач, математик, физик. В своей книге «О движении животных» по сути он положил начало биомеханике как отрасли науки. Он рассматривал организм человека как машину и стремился объяснить дыхание, движение крови и работу мышц с позиций механики.

Биологическая механика как наука о механическом движении в биологических системах использует в качестве методического аппарата принципы механики.

Механика человека есть новый раздел механики, изучающий целенаправленные движения человека.

Биомеханика — это раздел биологии, изучающий механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также происходящие в них механические явления (при движении, дыхании и т. д.).

Леонардо ДО Винчи И.П. Павлов

П.Ф. Лесгафт Н.Е. Введенский

Первые шаги в подробном изучении биомеханики движений были сделаны лишь в конце XIX столетия немецкими учеными Брауном и Фишером (V. Braune, О. Fischer), которые разработали совершенную методику регистрации движений, детально изучили динамическую сторону перемещений конечностей и общего центра тяжести (ОЦТ) человека при нормальной ходьбе.

К.Х. Кекчеев (1923) изучал биомеханику патологических походок, используя методику Брауна и Фишера.

П.Ф. Лесгафтом (1837—1909) создана биомеханика физических упражнений, разработанная на основе динамической анатомии. В 1877 г. П.Ф. Лесгафт начал читать лекции по этому предмету на курсах по физическому воспитанию. В Институте физического образования им. П.Ф. Лесгафта этот курс входил в предмет «физическое образование», а в 1927 г. был выделен в самостоятельный предмет под названием «теория движения» ив 1931 г. переименован в курс «Биомеханика физических упражнений».

Большой вклад в познание взаимодействия уровней регуляции движений внес Н.А. Бернштейн (1880— 1968). Им дано теоретическое обоснование процессов управления движениями с позиций общей теории больших систем. Исследования Н.А. Бернштейна позволили установить чрезвычайно важный принцип управления движениями, общепризнанный в настоящее время. Нейрофизиологические концепции Н.А. Бернштейна послужили основой формирования современной теории биомеханики движений человека.

Идеи Н.М. Сеченова о рефлекторной природе управления движениями путем использования чувствительных сигналов, получили развитие в теории Н.А. Бернштейна о кольцевом характере процессов управления.

B.C. Гурфинкель и др. (1965) клинически подтвердили это направление, выявили принцип синергии в организации работы скелетной мускулатуры при регуляции вертикальной позы, а Ф.А. Северин и др. (1967) получили данные о спинальных генераторах (мотонейронах) локомоторных движений. R. Granit (1955) с позиции нейрофизиологии дал анализ механизмов регуляции движений.

R. Granit (1973) отметил, что организация ответов на выходе в конечном счете определяется механическими свойствами двигательных (моторных) единиц (ДЕ) и специфической иерархией процессов активации — включением медленных или быстрых ДЕ, тонических или фазических мотонейронов, альфа-моторного или альфа-гамма-контроля.

Н.А. Бернштейн А.А. Ухтомский

И.М. Сеченов А.Н. Крестовников

Большой вклад в биомеханику спорта внесли R.G. Osterhoud (1968); Т. Duck (1970), R.M. Brown; J.E. Counsilman (1971); S. Plagenhoef (1971); C.W.Buchan (1971); Dal Monte et.al. (1973); M.Saito et al. (1974) и многие другие.

У нас в стране изучение координации движений человека ведется с двадцатых годов XX столетия. Проводились исследования всей биомеханической картины координационной структуры произвольных движений человека с целью установления общих закономерностей, определяющих как центральную регуляцию, так и деятельность мышечной периферии в этом важнейшем жизненном процессе. С тридцатых годов XX века в институтах физкультуры в Москве (Н.А. Бернштейн), в Ленинграде (Е.А. Котикова, Е.Г. Котельникова), в Тбилиси (Л.В. Чхаидзе), в Харькове (Д.Д. Донской) и других городах стала развиваться научная работа по биомеханике. В 1939 г. вышло учебное пособие Е.А. Котиковой «Биомеханика физических упражнений» и в последующие годы в учебники и учебные пособия стал входить раздел «Биомеханическое обоснование спортивной техники по различным видам спорта».

Из биологических наук в биомеханике более других использовались научные данные по анатомии и физиологии. В последующие годы большое влияние на становление и развитие биомеханики как науки оказали динамическая анатомия, физика и физиология, особенно учение о нервизме И.П. Павлова и о функциональных системах П.К. Анохина.

Большой вклад в изучение физиологии двигательного аппарата внес Н.Е. Введенский (1852—1922). Им выполнены исследования процессов возбуждения и торможения в нервной и мышечной тканях. Его работы о физиологической лабильности живых тканей и возбудимых систем, о парабиозе имеют огромное значение для современной физиологии спорта. Большую ценность представляют также его работы о координации движений.

По определению А.А. Ухтомского (1875—1942), биомеханика исследует «каким образом полученная механическая энергия движения и напряжения может приобрести рабочее применение». Им показано, что сила мышц при прочих равных условиях зависит от поперечного сечения. Чем больше поперечное сечение мышцы, тем больше она в состоянии поднять груз. А.А. Ухтомский открыл важнейшее физиологическое явление — доминанту в деятельности нервных центров, в частности, при двигательных актах. Большое место в его работах отведено вопросам физиологии двигательного аппарата.

Вопросы физиологии спорта разрабатывал А.Н. Крестовиков (1885—1955). Они были связаны с выяснением механизма мышечной деятельности, в частности, координации движений, формирования двигательных условных рефлексов, этиологии утомления при физической деятельности и другими физиологическими функциями при выполнении физических упражнений.

М.Ф. Иваницкий (1895—1969) разработал функциональную (динамическую) анатомию применительно к задачам физкультуры и спорта, т. е. определил связь анатомии с физкультурой.

Успехи современной физиологии, и, в первую очередь, труды академика П.К. Анохина дали возможность с позиции функциональных систем по-новому взглянуть на биомеханику движений.

Все это дало возможность обобщить физиологические данные с биомеханическими исследованиями и подойти к решению важных вопросов биомеханики движений в современном спорте, спорте высших достижений.

В середине XX века ученые создали протез руки, управляемый электрическими сигналами, поступающими из нервной системы. В 1957 г. у нас в стране была сконструирована модель руки (кисти), которая выполняла биоэлектрические команды типа «сжать— разжать», а в 1964 г. создан протез с обратной связью, т. е. протез, от которого непрерывно поступает в ЦНС информация о силе сжатия или разжатия кисти, о направлении движения руки и тому подобных признаках.

П.К. Анохин

Американские специалисты (E.W. Schrader и др., 1964) создали протез ноги, ампутированной выше колена. Была изготовлена гидравлическая модель коленного сустава, позволяющая добиться естественной ходьбы. Конструкция предусматривает нормальную высоту подъема пятки и вытягивание ноги при ее отводе независимо от скорости ходьбы.

Бурное развитие спорта в СССР послужило основанием развития биомеханики спорта. С 1958 г. во всех институтах физической культуры биомеханика стала обязательной учебной дисциплиной, создавались кафедры биомеханики, разрабатывались программы, издавались учебные пособия, учебники, проводились научно-методические конференции, готовились специалисты.

Как учебный предмет биомеханика выполняет несколько ролей. Во-первых, с ее помощью студент вводится в круг важнейших физико-математических понятий, которые необходимы для расчетов скорости, углов отталкивания, массы тела, расположения ОЦТ и его роли в технике выполнения спортивных движений. Во-вторых, эта дисциплина имеет самостоятельное применение в спортивной практике, потому что представленная в ней система двигательной деятельности с учетом возраста, пола, массы тела, телосложения позволяет выработать рекомендации для работы тренера, учителя физкультуры, методиста лечебной физкультуры и др.

Биомеханические исследования позволили создать новый тип обуви, спортивного инвентаря, оборудования и техники управления ими (велосипеды, горные и прыжковые лыжи, гоночные лыжи, лодки для гребли и многое другое).

Изучение гидродинамических характеристик рыб и дельфинов дало возможность создать специальные костюмы для пловцов, изменить технику плавания, что способствовало повышению скорости плавания.

Биомеханику преподают в высших физкультурных учебных заведениях во многих странах мира. Создано международное общество биомехаников, проводятся конференции, симпозиумы, конгрессы по биомеханике. При Президиуме Российской академии наук создан научный Совет по проблемам биомеханики с секциями, охватывающими проблемы инженерной, медицинской и спортивной биомеханики.

Глава 2 ТОПОГРАФИЯ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА. ОБЩИЕ ДАННЫЕ О ТЕЛЕ ЧЕЛОВЕКА

Тело человека представляет собой с точки зрения механики объект величайшей сложности. Оно состоит из частей, которые с большой степенью точности можно считать твердыми (скелет) и деформируемых полостей (мышцы, сосуды и пр.), причем в этих полостях содержатся текучие и фильтрующиеся среды, не обладающие свойствами обычных жидкостей.

Тело человека в общих чертах сохраняет строение, свойственное всем позвоночным: двуполярность (головной и хвостовой концы), двустороннюю симметрию, преобладание парных органов, наличие осевого скелета, сохранение некоторых (реликтовых) признаков сегментарности (метамерии) и т. п. (рис. 2.1).

К другим морфофункциональным особенностям тела человека относятся: высокополифункциональная верхняя конечность; ровный ряд зубов; развитый головной мозг; прямохождение; пролонгированное детство и др.

В анатомии принято изучать тело человека в вертикальном положении с сомкнутыми нижними и опущенными верхними конечностями.

В каждой части тела выделяют области (рис. 2.2, а, б) головы, шеи, туловища и двух пар верхних и нижних конечностей (см. рис. 2.1,6).

Рис. 2.1. Сегментарное деление спинного мозга. Формирование сплетений из корешков мозга (а). Сегментарная инвервация органов и функциональных систем (б)

На туловище человека обозначают два конца — черепной, или краниальный и хвостовой, или каудальный и четыре поверхности — брюшную, или вентральную, спинную, или дорсальную и две боковых — правую и левую (рис. 2:3).

На конечностях определяют по отношению к туловищу два конца: проксимальный, т. е. более близкий и дистальный, т. е. отдаленный (см. рис. 2.3).

Оси и плоскости

Тело человека построено по типу двубоковой симметрии (оно делится срединной плоскостью на две симметричные половины) и характеризуется наличием внутреннего скелета. Внутри тела наблюдается расчленение на метамеры, или сегменты, т. е. образования однородные по строению и развитию, расположенные в последовательном порядке, в направлении продольной оси тела (например, мышечные, нервные сегменты, позвонки и пр.); центральная нервная система лежит ближе к спинной поверхности туловища, пищеварительная — к брюшной. Как и все млекопитающие, человек имеет молочные железы и покрытую волосами кожу, полость его тела разделена диафрагмой на грудной и брюшной отделы (рис. 2.4).

Рис. 2.2. Области тела человека:

а — передняя поверхность: 7 — теменная область; 2 — лобная область; 3 — область глазницы; 4 — область рта; 5 — подбородочная область; б — передняя область шеи; 7 — латеральная область шеи; 8 — область ключицы; 9 — ладонь кисти; 10 — передняя область предплечья; 11 — передняя локтевая область; 12 — задняя область плеча; 13 — подмышечная область; 14 — грудная область; 15 — подреберная область; 16— надчревная область; 17— пупочная область; 18— боковая область живота; 19 — паховая область; 20 — лобковая область; 21 — медиальная область бедра; 22 — передняя область бедра; 23 — передняя область колена; 24 — передняя область голени; 25 — задняя область голени; 26 — передняя голеностопная область; 27 —тыл стопы; 28 — пяточная область; 29 — тыл кисти; 30 — предплечье; 31 — задняя область предплечья; 32 — задняя локтевая область; 33 — задняя область плеча; 34 — задняя область предплечья; 35 — область молочной железы; 36 — дельтовидная область; 37 — ключично-грудной треугольник; 38 — подключичная ямка; 39 — грудино-ключично-сосцевидная область; 40 — область носа; 41 — височная область.

Рис. 2.3. Взаимное положение частей в человеческом теле

б — задняя поверхность: 1 — теменная область; 2 — височная область; 3 — лобная область; 4 — область глазницы; 5 — скуловая область; б — щечная область; 7 — поднижнечелюстной треугольник; 8 — грудино-ключично-сосцевидная область; 9—акромиальная область; 10— межлопаточная область; 11 —лопаточная область; 12 — дельтовидная область; 13 — боковая грудная область; 14 — задняя область плеча; 15 — подреберная область; 16 — задняя локтевая область; 17 — задняя область предплечья; 18 — передняя область предплечья; 79 — ладонь кисти; 20 — пяточная область; 21 — подошва стопы; 22 — тыл стопы; 23 — передняя область голени; 24 — задняя область голени; 25 — задняя область колена; 26 — задняя область бедра; 27—заднепроходная область; 28 — ягодичная область; 29 — крестцовая область; 30 — боковая область живота; 31 — поясничная область; 32 — подлопаточная область; 33 — позвоночная область; 34 — задняя область плеча; 35 — задняя локтевая область; 36 — задняя область предплечья; 37 — тыл кисти; 38 — передняя область плеча; 39 — надлопаточная область; 40 — задняя область шеи; 41 — затылочная область

Рис. 2.4. Полости тела

Рис. 2.5. Схема осей и плоскостей в теле человека:

1 — вертикальная (продольная) ось;

2 — фронтальная плоскость; 3 — горизонтальная плоскость; 4 — поперечная ось; 5 — сагиттальная ось; 6 — сагиттальная плоскость

Чтобы лучше ориентироваться относительно взаимного положения частей в человеческом теле, исходят из некоторых основных плоскостей и направлений (рис. 2.5). Термины «верхний», «нижний», «передний», «задний» относятся к вертикальному положению тела человека. Плоскость, делящая тело в вертикальном направлении на две симметричные половины, именуется срединной. Плоскости, параллельные срединной, называются сагиттальными (лат. sagitta — стрела); они делят тело на отрезки, расположенные в направлении справа налево. Перпендикулярно срединной плоскости идут фронтальные, т. е. параллельные лбу (фр. front — лоб) плоскости; они рассекают тело на отрезки, расположенные в направлении спереди назад. Перпендикулярно срединной и фронтальной плоскости проводятся горизонтальные, или поперечные плоскости, разделяющие тело на отрезки, расположенные друг над другом. Сагиттальных (за исключением срединной), фронтальных и горизонтальных плоскостей можно провести произвольное количество, т. е. через любую точку поверхности тела или органа.

Терминами «медиально» и «латерально» пользуются для обозначения частей тела по отношению к срединной плоскости: medialis — находящийся ближе к срединной плоскости, lateralis — дальше от нее. С этими терминами не надо смешивать термины «внутренний» — interims и «наружный» — externus, которые употребляются только по отношению к стенкам полостей. Слова «брюшной» — ventralis, «спинной» — dorsalis, «правый» — dexter, «левый» — sinister, «поверхностный» — superficial, «глубокий» — profundus не нуждаются в объяснении. Для обозначения пространственных отношений на конечностях приняты термины «proximalis» и «distalis», т. е. находящийся ближе и дальше от места соединения конечности с туловищем.

Для определения проекции внутренних органов проводят ряд вертикальных линий: переднюю и заднюю срединные — соответственно сечениям срединной плоскости; правую и левую грудинные— по боковым краям грудины; правую и левую срединноключичные — через середину ключицы; правую и левую окологрудинные — посередине между грудиной и срединноключичной; правую и левую переднеподкрыльцовые — соответственно переднему краю подкрыльцовой ямки; правую и левую срединноподкрыльцовые — исходящие из глубины одноименной ямки; правую и левую заднеподкрыльцовые — соответственно заднему краю подкрыльцовой ямки; правую и левую лопаточные — через нижний угол лопатки; правую и левую околопозвоночные — посередине между лопаточной и задней срединной линиями (соответствует верхушкам поперечных отростков).

Краткие данные о центре тяжести тела человека

Функция нижних конечностей человека, если исключить многие физические упражнения, определяется главным образом опорой (положение стоя) и локомоцией (ходьба, бег). И в том, и в другом случае на функцию нижних конечностей, в отличие от верхних, имеет значительное влияние общий центр тяжести (ОЦТ) тела человека (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Расположение общего центра тяжести при различных видах стояния: 1 — при напряженном; 2 — при антропометрическом; 3 — при спокойном

Во многих задачах механики удобно и допустимо рассматривать массу какого-то тела так, как будто она сконцентрирована в одной точке — центре тяжести (ЦТ). Поскольку нам предстоит анализировать силы, действующие на тело человека во время выполнения физических упражнений и стоя (покой), нам следует знать, где находится ЦТ у человека в норме и при патологии (сколиоз, коксартроз, ДЦП, ампутации конечности и др.).

В общей биомеханике важным является изучение расположения центра тяжести (ЦТ) тела, его проекции на площадь опоры, а также пространственного соотношения между вектором ЦТ и различными суставами (рис. 2.7). Это позволяет изучать возможности блокировки суставов, оценить компенсаторные, приспособительные изменения в опорно-двигательном аппарате (ОДА). У взрослых мужчин (в среднем) ОЦТ располагается на 15 мм позади от передне-нижнего края тела V поясничного позвонка. У женщин ЦТ в среднем располагается на 55 мм спереди от передне-нижнего края I крестцового позвонка (рис. 2.8).

Во фронтальной плоскости ОЦТ незначительно (на 2,6 мм у мужчин и на 1,3 мм у женщин) смещен вправо, т. е. правая нога принимает несколько большую нагрузку, чем левая.

Рис. 2.7. Виды положения тела человека стоя: 1 — антропометрическое положение; 2 — спокойное положение; 3 — напряженное положение: Кружок с точкой в центре, находящийся в области таза, показывает положение общего центра тяжести тела; в области головы — положение центра тяжести головы; в области кисти — положение общего центра тяжести кисти. Черные точки показывают поперечные оси суставов верхней и нижней конечностей, а так же атланто-затылочного сустава

Рис. 2.8. Расположение центра

тяжести (ЦТ): а — у мужчин; б — у женщин

Общий центр тяжести (ОЦТ) тела слагается из центров тяжести отдельных частей тела (парциальные центры тяжести) (рис. 2.9). Поэтому при движениях и перемещении массы частей тела перемещается и общий центр тяжести, но для сохранения равновесия его проекция не должна выходить за пределы площади опоры.

Рис. 2.9. Расположение центров тяжести отдельных частей тела

Рис. 2.10. Положение общего центра тяжести тела: а — у мужчин одинакового роста, но различного телосложения; б—у мужчин разного роста; в — у мужчин и женщин

Высота положения ОЦТ у разных людей значительно варьирует в зависимости от целого ряда факторов, к числу которых в первую очередь относятся пол, возраст, телосложение и пр. (рис. 2.10).

У женщин ОЦТ обычно "располагается несколько ниже, чем у мужчин (см. рис. 2.8).

У детей раннего возраста ОЦТ тела расположен выше, чем у взрослых.

При изменении взаимного расположения частей тела, проекция его ОЦТ также меняется (рис. 2.11). Меняется при этом и устойчивость тела. В практике спорта (обучение упражнениям и тренировки) и при выполнении упражнений лечебной гимнастики этот вопрос очень важен, так как при большей устойчивости тела можно выполнять движения с большей амплитудой без нарушения равновесия.

Рис. 2.11. Положение общего центра тяжести при различных положениях тела

Устойчивость тела определяется величиной площади опоры, высотой расположения ОЦТ тела и местом прохождения вертикали, опущенной из ОЦТ, внутри площади опоры (см. рис. 2.7). Чем больше площадь опоры и чем ниже расположен ОЦТ тела, тем больше устойчивость тела.

Количественным выражением степени устойчивости тела в том или ином положении является угол устойчивости (УУ). УУ называется угол, образованный вертикалью, опущенной из ОЦТ тела и прямой, проведенной из ОЦТ тела к краю площади опоры (рис. 2.12). Чем больше угол устойчивости, тем больше степень устойчивости тела.

Рис. 2.12. Углы устойчивости при Рис. 2.13. Плечи силы тяжести по

выполнении упражнения «шпагат»: отношению к поперечным осям

а — угол устойчивости назад; вращения в тазобедренном, коленном

р — угол устойчивости вперед; и голеностопном суставах опорной

Р — сила тяжести ноги конькобежца

(по М.Ф. Иваницкому)

Вертикаль, опущенная из ОЦТ тела, проходит на некотором расстоянии от осей вращения суставов. В связи с этим сила тяжести в любом положении тела имеет по отношению к каждому суставу определенный момент вращения, равный произведению величины силы тяжести на ее плечо. Плечом силы тяжести является перпендикуляр, проведенный из центра сустава к вертикали, опущенной из ОЦТ тела (рис. 2.13). Чем больше плечо силы тяжести, тем больший момент вращения она имеет по отношению к суставу.

Масса частей тела определяется различными способами. Если у разных людей абсолютная масса частей тела будет значительно различаться, то относительная масса, выраженная в процентах, достаточно постоянна (см. табл. 5.1).

Очень большое значение имеют данные о массе частей тела, а также о расположении парциальных центров тяжести и моментов инерции в медицине (для конструирования протезов, ортопедической обуви и т. п.) и в спорте (для конструирования спортивного инвентаря, обуви и т. п.).

Организм, орган, система органов, ткани

Организмом называется всякое живое существо, основными свойствами которого являются: постоянный обмен веществ и энергии (внутри себя и с окружающей средой); самообновление; движение; раздражаемость и реактивность; саморегулирование; рост и развитие; наследственность и изменчивость; приспособляемость к условиям существования. Чем сложнее устроен организм, тем в большей мере он сохраняет постоянство внутренней среды — гомеостаз (температура тела, биохимический состав крови и др.) независимо от меняющихся условий внешней среды.

Эволюция происходила под знаком двух противоположных тенденций: дифференциации, или разделения тела на ткани, органы, системы (с соответствующим и одновременным разделением и специализацией функций), и интеграции, или объединения частей в целостный организм.

Органом называют более или менее обособленную часть организма (печень, почка, глаз и т. д.), выполняющую одну или несколько функций. В образовании органа принимают участие различные по строению и физиологической роли ткани, возникшие в течение длительной эволюции как совокупность приспособительных механизмов. Одни органы (печень, поджелудочная железа и др.) имеют сложное строение, причем каждый их компонент выполняет свою функцию. В других случаях составляющие тот или иной орган (сердце, щитовидная железа, почка, матка и др.) клеточные структуры подчинены выполнению единой сложной функции (кровообращение, мочеотделение и др.).

1 . Биомеханические характеристики как понятие

Наблюдая движения человека, можно заметить, что мно-гие их особенности все время изменяются. Изменяется поло-жение звеньев тела, скорости движения и многое другое. Осо-бенности (или признаки) движения позволяют разделить слож-ное движение на составные части, заметить, как они влияют одна на другую, как помогают достичь цели. Для этого и изу-чают характеристики движений человека.

Характеристики движений человека - это те особен-ности, или признаки, по которым движения различаются меж-ду собой.

Различают качественные и количественные характеристики.

Качественные характеристики - характеристики, описы-ваемые только словами и не имеющие точной количественной меры (например: напряженно, свободно, плавно, мягко и др.).

Количественные характеристики - характеристики, которые измеряют или вычисляют, они имеют количествен-ную меру.

Педагогу при проведении урока нечем и некогда изме-рять и регистрировать количественные характеристики. Ему приходится пользоваться качественными характеристиками, он проводит качественный биомеханический анализ движе-ний каждого ученика.

Изучая движения с помощью измерительной и записыва-ющей аппаратуры, получают количественные характеристи-ки. Их обрабатывают, проводят вычисления для количествен-ного биомеханического анализа. Конечно, затем должен сле-довать и качественный анализ, чтобы понять законы движения и использовать их в физическом воспитании. Хорошо владея навыками количественного анализа, в повседневной практи-ческой работе можно с успехом пользоваться только каче-ственным анализом.

Вся сложность взаимосвязи характеристик, используемых для изучения движений человека, отражена в схеме.

Из нее видно, что наиболее важными являются те из них, которые характеризуют изменения положения тела и движе-ния. К ним относятся кинематические и динамические ха-рактеристики. При этом следует отметить тот факт, что дви-жения человека и предметов, перемещаемых им, можно заме-тить и измерить, только сравнивая их положения с положением выбранного для сравнения тела (тело отсчета) . Поэтому все движения человека в биомеханике рассматриваются как от-носительные.

Движение выражается в изменении с течением времени взаимного положения тел. Его можно наблюдать и отсчиты-вать только относительно других реальных тел (например, при прыжках в длину - относительно бруска) или условных (например, в старте яхт - относительно линии створа) .

В зависимости от условий задачи, стоящей при изучении двигательного действия, выбирается та или иная система от-счета. Принято выделять:

Инерциальную систему отсчета (Земля, дорожка, лыж-ня) - движения их в данной системе незаметны при измере-ниях, т.е. изменениями скорости, ускорениями при решении данной задачи можно пренебречь;

Неинерциальная система отсчета - движущееся тело (скользящая лыжа, раскачивающиеся кольца), движение ко-торого происходит с заметным ускорением, существенно вли-яющим на отсчет расстояния;

Соматическая система отсчета (тело человека) - движе-ние звеньев рассматривается относительно туловища.

2 . Кинематические характеристики

Наблюдая сам факт движений, их внешнюю картину, раз-личают пространственную форму (рисунок, узор) движений и их характер (изменение во времени - быстрее, чаще и т.п.) .

Количественные характеристики, раскрывающие форму и характер движений, называются кинематическими .

Они описывают движения в пространстве и во времени. Соответственно различают характеристики:

Пространственные;

Временные;

Пространственно-временные.

Пространственные характеристики позволяют опре-делить, каково исходное и конечное положения при движении

(координата), какова между ними разница, насколько они из-менились (перемещение) и через какие промежуточные поло-жения выполнялось движение (траектория), т.е. простран-ственные характеристики в целом определяют пространствен-ную форму движений человека.

Координата точки - это пространственная мера мес-тоположения точки относительно системы отсчета.

С точки зрения механики описать движение - это значит определить положение в любой момент времени, определить координаты опознавательных точек тела, по которым изуча-ют ход движения в пространстве.

По координатам определяют, где находится изучаемая точка относительно начала отсчета, измеряя ее линейные ко-ординаты. Положение точки на линии, определяет одна коор-дината, на плоскости - две, в пространстве - три.

Изучая движение нужно определить: 1) начальное поло-жение, из которого движение начинается; 2) конечное поло-жение, в котором движение заканчивается; 3) ряд мгновен-ных промежуточных положений, которые принимает тело при выполнении движения.

Перемещение точки - это пространственная мера из-менения местоположения точки в данной системе отсчета.

Перемещение - величина векторная. Она характеризует-ся численным значением (модулем) и направлением, т.е. оп-ределяет размах и направление движения. Если после движе-ния точка вернулась в исходное положение, перемещение рав-но нулю. Таким образом, перемещение есть не само движение, а лишь его окончательный результат - расстояние по прямой и направление от исходного до конечного положения.

Перемещение (линейное, в поступательном движении) из-меряется разностью координат в моменты начала и оконча-ния движения (см. таблицу 2) .

Перемещение тела при вращательном движении измеря-ется углом поворота - разностью угловых координат в одной и той же системе отсчета расстояний.

Траектория точки - это пространственная мера дви-жения (воображаемый след движения точки) . Траекторию определяют, устанавливая ее длину, кривизну и ориентацию в пространстве.

Пространственный рисунок движения точки дает ее тра-ектория. Длина траектории показывает, каков путь точки.

Путь точки в прямолинейном движении равен расстоя-нию от исходного до конечного положения.

При криволинейном движении путь точки равен ариф-метической сумме модулей ее элементарных перемещений.

Кривизна траектории показывает, какова форма движе-ния в пространстве. Чтобы определить кривизну траектории, измеряют радиус кривизны. Если траектория является дугой окружности, радиус кривизны постоянный. С увеличением кривизны ее радиус уменьшается, и, наоборот, с уменьшением кривизны, радиус увеличивается.

Ориентация траектории в пространстве при одной и той же ее форме может быть разная. Ориентацию определяют для прямолинейной траектории по координатам точек на-чального и конечного положений; для криволинейной траек-тории - по координатам этих двух точек и третьей точки, не лежащей с ними на одной прямой линии.

В совокупности ориентация, длина и кривизна траекто-рии позволяют определить направление, размах и форму дви-жения точки, а также начальное положение, конечное и все промежуточные.

Временные характеристики раскрывают движения во времени: когда оно началось и закончилось (момент времени), как долго длилось (длительность движения), как часто выпол-нялось движение (темп) , как движения были построены во времени (ритм) . Вместе с пространственно-временными харак-теристиками они определяют характер движений человека.

Момент времени - это временная мера положения точ-ки тела и системы, определяемая промежутком времени до него от начала отсчета.

Момент времени определяют не только для начала и окон-чания движения, но и для других важных мгновенных положений. В первую очередь это моменты существенного изме-нения движения: заканчивается одна часть (фаза) движения и начинается следующая (например: отрыв стопы от опоры в беге - это момент окончания фазы отталкивания и начало фазы полета). По моментам времени определяют длитель-ность движения.

Длительность движения - это его временная мера, ко-торая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения.

Длительность движения представляет собой количество времени, прошедшее между двумя ограничивающими его мо-ментами времени. Сами моменты (как границы между двумя смежными промежутками времени) длительности не имеют. Ясно, что измеряя длительность, пользуются одной и той же системой отсчета времени. Узнав путь точки и длительность ее движения, можно определить ее скорость. Зная длитель-ность движений, определяют также их темп и ритм.

Темп движений - это временная мера повторности дви-жений. Он измеряется количеством движений, повторяющихся в единицу времени (частота движений) .

Темп - величина, обратная длительности движений. Чем больше длительность каждого движения, тем меньше темп, и наоборот. В циклических движениях темп может служить показателем совершенства техники.

Ритм движений - это временная мера соотношения час-тей движений. Он определяется по соотношению промежутков времени, затраченного на соответствующие части движения.

Ритм определяют как соотношение двух периодов времени (например: опоры и полета в беге) или длительности двух фаз периода (например: фазы амортизации и фазы отталкивания в опорном периоде) . Можно говорить и о ритме ряда фаз (напри-мер: соотношение длительностей пяти фаз скользящего шага в лыжном ходе) . Ритм бывает постоянным и переменным.

Пространственно-временные характеристики определя-ют, как изменяются положения и движения человека во времени.

Скорость точки - это пространственно-временная мера движения. Она определяет быстроту изменения положения точки в пространстве с изменением времени.

В поступательном движении скорость измеряется отно-шением пройденного пути (с учетом его направления) к затра-ченному времени; во вращательном движении - отношением угла поворота ко времени, за которое произошло вращение.

Ускорение точки - это пространственно-временная мера изменения движения, которая характеризует быстро-ту изменения скорости по величине и направлению.

Ускорение измеряется отношением изменения скорости (угловой скорости) к затраченному на него времени.

Различают ускорения точки: а) положительное, имеющее одинаковое направление со скоростью, - скорость возрастает; б) отрицательное, имеющее направление, противоположное направлению скорости, - скорость убывает; в) нормальная -скорость прежняя, изменяется направление.

3 . Динамические характеристики

Все движения человека и движимых им тел под действи-ем сил изменяются по величине и направлению скорости. Чтобы раскрыть механизм движений (причины их возник-новения и ход их изменения), исследуют динамические харак-теристики. К ним относятся инерционные характеристики (особенности самих движущихся тел) , силовые (особенности взаимодействия тел) и энергетические (состояния и измене-ния работоспособности, биомеханических систем) .

Инерционные характеристики раскрывают, каковы особенности тела человека и движимых им тел в их взаимо-действиях. От инерционных характеристик зависит сохране-ние и изменение скорости.

Все физические тела обладают свойством инертности (или инерции), которое проявляется в сохранении движения, а так-же в особенностях изменения его под действием сил.

Понятие инерции раскрывается в первом законе Ньюто-на: "Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равно-мерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы не заставят его изменить это состояние".

Говоря проще: тело сохраняет свою скорость, а также под действием внешних сил изменяет ее.

Масса - это мера инертности тела при поступатель-ном движении. Она измеряется отношением величины при-ложенной силы к вызываемому ею ускорению.

Масса тела характеризует, как именно приложенная сила может изменить движение тела. Одна и та же сила вызовет большее ускорение у тела с меньшей массой, чем у тела с боль-шей массой.

Момент инерции - это мера инертности тела при вращательном движении. Момент инерции тела относитель-но оси равен сумме произведений масс веек его частиц на квадраты их расстояний от данной оси вращения.

Отсюда видно, что момент инерции тела больше, когда его частицы дальше от оси вращения, а значит угловое ускорение тела под действием того же момента силы меньше; если части-цы ближе к оси, то угловое ускорение больше, а момент инерции меньше. Значит, если приблизить тело к оси, то легче вызвать угловое ускорение, легче разогнать тело во вращении, легче и остановить его. Этим пользуются при движении вокруг оси.

Силовые характеристики. Известно, что движение тела мо-жет происходить как под действием приложенной к нему движу-щей силы, так и без движущей силы (по инерции), когда приложе-на только тормозящая сила. Движущие силы приложены не все-гда; без тормозящих же сил движения не бывает. Изменение движений происходит под действием сил. Сила не причина дви-жения, а причина изменения движения; силовые характеристики раскрывают связь действия силы с изменением движения.

Сила - это мера механического воздействия одного тела на другое в данный момент времени. Численно она определя-ется произведением массы тела и его ускорения, вызванного данной силой.

Чаще всего говорят про силу и результат ее действия, но это применимо только к простейшему поступательному дви-жению тела. В движениях человека как системы тел, где все движения частей тела вращательные, изменение вращатель-ного движения зависит не от силы, а от момента силы.

Момент силы - это мера вращающего действия силы на тело. Он определяется произведением силы на ее плечо.

Момент силы обычно считают положительным, когда сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицатель-ным при повороте по часовой стрелке.

Чтобы сила могла проявить свое вращающее действие, она должна иметь плечо. Иначе говоря, она не должна прохо-дить через ось вращения.

Определение силы или момента силы, если известна мас-са или момент инерции, позволяет узнать только ускорение, т.е. как быстро изменяется скорость. Надо еще узнать, на-сколько именно изменится скорость. Для этого должно быть известно, как долго была приложена сила. Иначе говоря, сле-дует определить импульс силы (или ее момента) .

Импульс силы - это мера воздействия силы на тело за данный промежуток времени (в поступательном движе-нии) . Он равен произведению силы и продолжительности ее действия.

Любая сила, приложенная даже в малые доли секунды (например: удар по мячу) , имеет импульс. Именно импульс силы определяет изменение скорости, силой же обусловлено только ускорение.

Во вращательном движении момент силы, действуя в те-чение определенного времени, создает импульс момента силы.

Импульс момента силы - это мера воздействия мо-мента силы относительно данной оси за данный промежу-ток времени (во вращательном движении) .

Вследствие импульса как силы, так и момента силы воз-никают изменения движения, зависящие от инерционных свойств тела и проявляющиеся в изменении скорости (коли-чество движения, кинетический момент) .

Количество движения - это мера поступательного дви-жения тела, характеризующая его способность передавать-ся другому телу в виде механического движения. Количество движения тела измеряется произведением массы тела на его скорость.

Кинетический момент (момент количества движе-ния) - это мера вращательного движения тела, характери-зующая его способность передаваться другому телу в виде механического движения. Кинетический момент равен про-изведению момента инерции относительно оси вращения на угловую скорость тела.

Соответствующее изменение количества движения происхо-дит под действием импульса силы, а под действием импульса момента силы происходит определенное изменение кинетическо-го момента (момента количества движения) .

Таким образом, к ранее рассмотренным кинематическим мерам изменения движения (скорости и ускорению) добавляют-ся динамические меры изменения движения (количество движе-ния и кинетический момент) . Совместно с мерами действия сил они отражают взаимосвязь сил и движения. Изучение их помога-ет понять физические основы двигательных действий человека.

Энергетические характеристики. При движениях че-ловека силы, приложенные к его телу на некотором пути, со-вершают работу и изменяют положение и скорость звеньев тела, что изменяет его энергию. Работа характеризует процесс, при котором меняется энергия системы. Энергия же ха-рактеризует состояние системы, изменяющейся вследствие работы. Энергетические характеристики показывают, как ме-няются виды энергии при движениях и протекает сам про-цесс изменения энергии.

Работа силы - это мера действия силы на тело при некотором его перемещении под действием этой силы. Она равна произведению модуля силы и перемещения точки при-ложения силы.

Если сила направлена в сторону движения (или под ост-рым углом к этому направлению) , то она совершает положи-тельную работу, увеличивая энергию движения тела. Когда же сила направлена навстречу движению (или под тупым углом к его направлению) , то работа силы отрицательная и энергия движения тела уменьшается.

Работа момента силы - это мера воздействия момента силы на тело на данном пути (во вращательном движении) . Она равна произведению модуля момента силы и угла поворота.

Понятие работы представляет собой меру внешних воз-действий, приложенных к телу на определенном пути, вызы-вающих изменения механического состояния тела.

Энергия - это запас работоспособности системы. Ме-ханическая энергия определяется скоростями движений тел в системе и их взаимным расположением; значит, это энер-гия перемещения и взаимодействия.

Кинетическая энергия тела - это энергия его механи-ческого движения, определяющая возможность совершить работу. При поступательном движении она измеряется по-ловиной произведения массы тела на квадрат его скорости, при вращательном движении половиной произведения момен-та инерции на квадрат его угловой скорости.

Потенциальная энергия тела -это энергия его поло-жения, обусловленная взаимным относительным расположе-нием тел или частей одного и того же тела и характером их взаимодействия. Потенциальная энергия в поле сил тя-жести определяется произведением силы тяжести на раз-ность уровней начального и конечного положения над землей (относительно которого определяется энергия) .

Энергия как мера движения материи переходит из одно-го вида в другой. Так, химическая энергия в мышцах превра-щается в механическую (внутреннюю потенциальную упруго-деформированных мышц). Порожденная последней сила тяги мышц совершает работу и преобразует потенциальную энер-гию в кинетическую энергию движущихся звеньев тела и вне-шних тел. Механическая энергия внешних тел (кинетичес-кая) , передаваясь при их действии на тело человека его звень-ям, преобразуется в потенциальную энергию растягиваемых мышц-антаганистов и в рассеивающуюся тепловую энергию.

4 . Распределение масс частей тела

От распределения масс частей тела зависят многие сопро-тивления, которые встречают силы, действующие на тело. Эти сопротивления определяются силами тяжести и моментами инерции частей тела.

Наиболее общим показателем распределения масс в теле служит общий центр тяжести тела (ОЦТ) . Как известно, центром тяжести называется точка тела, к которой как бы приложена равнодействующая всех сил тяжести тела . Во все стороны от этой точки, по любому направлению, моменты сил тяжести взаимно уравновешиваются. Равнодействующая параллельных сил, действующих на все частицы тела в любом направлении, приложена к ОЦТ; поэтому в этом случае ОЦТ называют еще центром массы, или центром инерции.

Расположение ОЦТ необходимо знать при изучении ста-тики для оценки условий равновесия тела. Путь движения -траектория ОЦТ - во многих случаях дает ценные сведения об особенностях движения тела, так как отражает действие внешних сил на тело. ОЦТ не может перемещаться иначе как под действием внешних сил. Одни внутренние силы никогда не могут изменить положение и путь ОЦТ в пространстве.

Общий центр тяжести тела располагается в зависимости от телосложения человека. У людей с более развитыми нога-ми ОЦТ относительно ниже, чем у людей с более мощной мускулатурой туловища и рук. У длинноногих людей ОЦТ анатомически расположен ниже, но он дальше от земли, чем у коротконогих.

В симметричных положениях человека, стоящего с опу-щенными руками, ОЦТ находится на уровне от первого до пятого крестцового позвонка (по Иваницкому) , примерно на 4-5 см выше поперечной оси тазобедренных суставов. Пере-днезадняя плоскость, проходящая через ОЦТ, делит тело по-чти симметрично. Она несколько смещена вправо от средин-ной плоскости, так как правая половина тела человека тяжелее левой на 400-500 г, в связи с несимметричным располо-жением внутренних органов и неравномерным развитием двигательного аппарата. У правшей правая половина тела развита лучше и имеет большую массу. В переднезаднем на-правлении ОЦТ располагается между крестцом и лобком в зависимости от положения тела при стоянии.

Само собой разумеется, что с изменением формы тела, вслед-ствие иного расположения его частей, изменяет свое положе-ние и ОЦТ. При перемещении какой-либо части тела и ОЦТ смешается в том же направлении. Если переметающаяся часть тела имеет большую массу, то и смещение ОЦТ больше.

Массы частей тела определяли путем распила заморо-женных трупов, а также путем измерения объема частей тела и уравновешивания живых людей в различных позах. Сред-ние данные, полученные этими различными методами, оказа-лись близкими друг к другу. Так, если вес тела человека при-нять за 100%, то вес головы составит 7%; туловища - 43%; бедра - 12%; голени - 5%; стопы - 2%; плеча - 3%; пред-плечья - 2% и кисти 1%.

Если средние данные более или менее близки, то данные отдельных людей могут значительно отличаться от этих сред-них в зависимости от телосложения.

Массы отдельных частей тела не остаются постоянными. В связи с тренировкой здесь могут происходить немалые из-менения. У спортсменов меньше отложения жира на тулови-ще и лучше развиты мышцы конечностей. Поэтому у них соотношение масс может быть иное, чем у людей, не занимаю-щихся спортом.

Массы тела могут также изменяться и в течение корот-ких промежутков времени. Например, прием пищи и воды может увеличить массу туловища; после разминки или со-ревнований прилив крови в расширенные сосуды мышц мо-жет увеличить массу конечностей.

Таким образом, относительные массы частей тела человека в конкретных случаях могут намного отличаться от точно вы-численных средних данных. Поэтому нет необходимости в очень большой точности при расчетах, производимых с практической целью. Вполне достаточно эти величины в процентах округ-лить, так как индивидуальные отклонения от них могут быть намного больше, чем на сотые и десятые доли процента.

Для положения ОЦТ имеет значение не только масса ча-стей тела, но и ее распределение в каждой части тела. Показателями этого служат центры тяжести частей тела. Центры тяжести длинных частей тела лежат приблизительно на их продольной оси, ближе к проксимальному сочленению. Так, расстояние от проксимального сочленения до центра тяжес-ти (радиус центра тяжести) составляет для бедра 0,44 его дли-ны, для голени 0,42, для плеча 0,47 и для предплечья 0,42. Такое распределение масс обусловлено большой массой мышц, окружающих проксимальные сочленения, особенно для бедра, голени и предплечья. Предплечья и голени имеют мышцы с отчетливо выраженным брюшком и тонким сухожилием. А на бедре в области тазобедренного сустава есть большие мас-сы коротких мышц - ягодичные, приводящие, запирательные и др. Этими особенностями и определяется неравномерное распределение масс в этих частях тела.

Строго говоря, при изменении напряжения мышц и их кро-венаполнения распределение масс в конечностях также несколь-ко изменяется. Но значительно больше оно изменяется у туло-вища, способного очень сильно изменять свою форму.

Принято считать, что центр тяжести туловища распола-гается на линии, соединяющей середины поперечных осей, про-веденных через центры плечевых и тазобедренных суставов. Эту линию центр тяжести туловища делит на отрезки, отно-сящиеся друг к другу как 4: 5, считая от головного конца. По сути дела, туловище - не отдельное звено, а система звеньев, обладающая большой подвижностью. Кроме того, надо учи-тывать изменение распределения масс туловища при вдохе, когда внутренние органы брюшной полости оттесняются вниз, а грудная клетка, наполненная воздухом, имеет меньший удельный вес. При некоторых положениях отдельные органы брюшной полости могут смещаться на значительное расстоя-ние (до 20 см) (Джафаров) .

Значит, при всех расчетах положения ОЦТ имеются очень большие погрешности, связанные с тем, что подвижно соеди-ненные части тела и части тела, в которых изменяется рас-пределение масс, принимаются за неизменяемые тела. Лишь у головы расположение центра тяжести сзади турецкого сед-ла клиновидной кости довольно постоянно, но и оно может измениться при движениях нижней челюсти.

Расположение ОЦТ обусловлено половыми и возрастны-ми особенностями. У детей, имеющих большую массу тулови-ща и головы, ОЦТ располагается выше, чем у взрослых. У женщин, в связи с присущей им пропорцией тела, в частности с более массивным тазовым поясом, ОЦТ располагается ниже, чем у мужчин.

Для определения действия сил окружающей среды при изучении движений человека в водной среде, а также в полете в воздухе с большой скоростью необходимо знать расположе-ние центра объема (ЦО) и центра поверхности (ЦП) .

Центр объема тела расположен в точке пересечения плос-костей, делящих тело на две равные по объему половины. С погружением в воду на тело действуют силы давления воды. Точка приложения равнодействующей всех сил давления воды на поверхность тела и называется центром объема тела. ЦО можно рассматривать так же, как ОЦТ объема воды, вытес-ненной погружением тела человека в воду и имеющей форму погруженных частей тела.

В то же время на тело действуют силы тяжести, равно-действующая которых приложена к ОЦТ. Когда ЦО и ОЦТ расположены на одной вертикали, тогда, в зависимости от со-отношения величин сил тяжести и давления воды, тело либо всплывает, либо тонет, либо остается неподвижным в воде. Если ЦО и ОЦТ находятся не на одной вертикали, то еще возникает пара сил, вызывающих вращение тела.

У человека ЦО расположен несколько выше его ОЦТ. Это объясняется тем, что содержащийся в грудной клетке воз-дух делает верхнюю половину тела более легкой, поэтому ОЦТ смещен несколько в сторону ног. В связи с этим человек при покойном положении на воде во время вдоха начинает пово-рачиваться, опускаясь ногами вниз. Если руки сместить в сто-рону головы, то можно совместить ЦО и линию тяжести; тог-да тело уравновесится.

По данным Иваницкого, ЦО расположен выше ОЦТ на 2-6 см, в зависимости от особенностей телосложения. Есте-ственно, что с изменением позы тела изменяется и располо-жение ЦО.

Во время движения человека со значительной скоростью через воздушную среду силы сопротивления воздушной среды зависят от площади лобовой поверхности тела. Равнодейству-ющая всех сил сопротивления среды приложена к центру по-верхности. Граница поверхности сопротивления определяется по проекции границы тела на плоскость, перпендикулярную направлению движения тела относительно среды.

У тела человека, стоящего в выпрямленном положении, ЦП тела при движении в переднезаднем направлении распо-лагается выше ОЦТ.

В безопорном положении при движении в воздухе, на-пример при прыжках на лыжах с трамплина, изменение позы вызывает изменения и лобовой поверхности тела (вместе с лыжами) , а следовательно, и ЦП. Когда ЦП ниже ОЦТ, лыж-ник вращается головой вперед. Если ЦП оказывается выше ОЦТ, то тело получает вращение головой назад. При располо-жении ОЦТ и ЦП на одной линии, параллельной направле-нию полета, вращения не возникает.

Контрольные вопросы

1. Для чего определяются характеристики движений че-ловека?

2. В чем различие кинематических и двигательных ха-рактеристик?

3. Зачем нужно выбирать систему отсчета и как ею пользо-ваться?

4. Дайте определение основных пространственных и вре-менных характеристик движений, скорости и ускорения то-чек тела и звеньев тела.

5. Что является мерой инертности тела при поступатель-ном и вращательном движении?

6. Что является причиной изменения движения? Какие характеристики относятся к силовым?

7. Раскройте энергетические характеристики.

Зачем нам биомеханика? В мире заблуждений фитнеса и бодибилдинга (а их очень много, и ими руководствуются) необходимо сделать тот самый основательный шаг, который позволит научно доказать работу мышечных групп в различных упражнениях.

В свою очередь, это позволит нам делать правильно упражнения и правильно строить свой тренировочный процесс, чтобы следить за восстановлением мышечных групп и давать адекватную нагрузку, иметь сбалансированную мускулатуру, здоровую осанку. Рисунки будут делаться в паинте от руки с соответствующим качеством.

Для понимания работы мышц, в идеале, необходимы знания функциональной анатомии. Для этого я буду давать информацию об этом, но без картинок. Все, что я буду писать, относительно анатомии, можно найти в книгах по анатомии и проверить подлинность информации. Все анатомические названия бугорков, шероховатостей, отростков, костей и др. можно найти на картинках в интернете.

Разберем некоторые понятия кинематики, динамики, биомеханики.

1. Поступательное движение - это такое движени тела, при котором все его точки двигаются с одинаковой скоростью и траектории.
   2. Вращательное движение - это движение, при котором различные точки двигаются по окружности, а точки, лежащие на оси вращения остаются неподвижными
   3. Сила - мера механического взаимодействия тел в поступательном движении.
   4. Момент силы - мера механического взаимодействия тел во вращательном движении. Момент силы численно равен произведению силы на ее плече.
   5. Плече силы - кратчайшее расстояние от оси вращения до линии, вдоль которой действует сила.
   6. Масса - мера инертности тела в поступательном движении.
   7. Момент инерции - мера инертности тела во вращательном движении. Его величина определяется произведением массы тела на радиус инерции в квадрате.
   8. Кинематическая пара - это два звена, соединенных между собой подвижно. Примером могут служить две кости, соединенные суставом.
   9. Кинематическая цепь - последовательное или разветвленное соединение кинематических пар. Бывают замкнутые и не замкнутые цепи.
   10. Степень свободы - количество независимых угловых и линейных перемещений тела. Например, локтевой сустав имеет две степени вободы - сгибание и разгибание, супинация и пронация, здесь угловое перемещение тела.
   11. Рычаг - это твердое тело, которое может вращаться под действием приложенных сил (плече и предплечье, сила тяги прилагается через работу бицепса)
   Для простоты понятия представим скелет человека и суставы, в которых вращаются кости. Мышцами в биомеханике будут служить веревочки, которые крепятся к костям и заставляют двигаться кинематические пары, цепи. Мышцы не могут толкать, они только тянут, сокращаясь.
   

Внешние силы, действующие на кости и мышцы - это отягощения в виде свободных весов и тренажеров, блочных устройств. Внутренние активные силы - это сокращение мышц (преодолевающий, уступающий, изотонический и т.д.). Внутренние пассивные силы - это сила соединительной ткани, сила упругости мышц, фасций, сухожилий, кожи.

Внутренние активные силы затрачивают энергию АТФ, все остальные силы идут без затрат АТФ. Внешние силы в тренажерах и свободных весах работают за счет гравитации, либо посредством гидравлики, давления воздухом, в зависимости от устрайства тренажера. Вес собственного тела тоже считается внешней силой.

Основные режимы работы мышц .

Преодолевающий, динамический, концентрический режим - это такое сокращение, при котором длина мышцы уменьшается. Под основными рабочими мышечными группами в упражнении подразумеваются именно агонисты.
Уступающий, эксцентрический режим - это такое сокращение, при котором длина мышц увеличивается
Изометрический или статический режим - длина мышцы не меняется, но есть напряжение
Изотонический режим - длина мышц меняется, напряжение остается.
Стабилизаторы - мышцы, которые стабилизируют сегменты тела, например лопатку, относительно позвоночника, работая в статическом режиме
Агонисты - мышцы, выполняющие основную роль в движении, сокращая свою длинну
Синергисты - мышцы, помогающие агонистам в основном движении
Антагонисты - мышцы, которые растягиваются, при сокращении агонистов. Агонисты через нервную систему отключают динамическую работу антагонистов, чтобы движение было возможным без помех. Пример: - при сокращении трицепсы на верхнем блоке (разгибание рук у верхнего блока), бицепсы не могут сокращаться в динамическом режиме, они расслабляются и растягиваются.

Механизм управления двигательными действиями человека (на стадии формирования новых двигательных навыков) был обоснован еще в 30-40 гг. XX столетия Н.А. Бернштейном. Затем академик П.К. Анохин разработал теоретические положения о функцио­нальной системе, которые объясняют действия данного механизма (схема 15.2).

Описать это можно так. Человек при выполнении нового дви­жения создает себе (на основе его цели и содержания) опреде­ленный образ будущего движения. По мере выполнения движения происходит его сличение с программой управления, а также осу­ществляются последовательные его коррекции (так называемые сенсорные коррекции).

Механизм управления позволяет выделить три стадии форми­рования движения.

Первая стадия - формируется общее представление о дви­жении при участии мышц, осуществляющих движение, мышц-ан­тагонистов и других мышц (участие которых в освоенном движении не требуется); поэтому человек выполняет движение (движения) излишне напряженно, тем самым значительно уменьшая скорость его выполнения. Если на этой стадии движения выполнять в быст­ром темпе, то сенсорные коррекции затруднительны или невоз­можны.

Вторая стадия - исчезает напряженность и возникает дос­таточно четкая мышечная координация при выполнении постоян­ных движений. Движение пока еще не выполняется свободно и ав-томатизированно.

Третья стадия - используются реактивные силы, силы инер­ции, движения становятся более экономичными, их выполнение доводится до автоматизма.

На основании общих теоретических представлений о формиро­вании движения в теории физического воспитания (для всех ви­дов спорта) в процессе обучения выделяют три этапа.

Первый этап - начальное разучивание движения (вырабаты­вается умение воспроизводить технику в общей, «грубой» форме).

Второй этап - углубленное, детализированное разучивание движения (движений).

Третий этап - дальнейшее совершенствование двигательно­го навыка.

В практике спорта обучение и тренировка двигательного навыка предполагают многократное повторение однотипного (однотипных) движения (упражнения), с учетом возраста, пола и технической подготовленности, координированности, гибкости спортсмена. В последние годы все шире применяются технические средства обучения (лонжи, блоки, пояса, зеркала, различные тренажеры и т. д.). В некоторых видах спорта (спортивная гимнастика, акроба­тика, прыжки в воду с трамплина и др.) используют метод фикси­рованного положения, когда останавливают движение и фиксируют его в определенной позе. Этот метод наиболее доступен для на­чального периода обучения, он позволяет быстрее и эффектив­нее разучить кинематику движений, уточнить положение звеньев тела, контроль за динамикой и общим ритмом движения (дви­жений).

Важным при обучении и на тренировках является учет такого фактора как адаптация. Адаптация к физическим нагрузкам (уп­ражнениям) во всех случаях представляет собой реакцию целого организма, однако специфические изменения в тех или иных функ­циональных системах могут быть выражены в различной степени.

Исходя из учения П.К. Анохина о функциональных системах следует, что организм реагирует на воздействие внешней среды как целое, деятельность одних органов и систем теснейшим обра­зом связана с функцией других (см. схему 15.2).

Ходьба в норме

Ходьба - автоматизированный двигательный акт, осуществ­ляющийся в результате сложной координированной деятельности скелетных мышц туловища и конечностей.

Отталкиваясь от почвы, нога приводит тело в движение - впе­ред и несколько вверх и вновь совершает размах в воздухе.

Последовательность положения конечности взрослого челове­ка при ходьбе показана на рис. 15.16. При ходьбе тело поочередно опирается то на правую, то на левую ногу.

Акт ходьбы отличается чрезвычайно точной повторяемостью от­дельных его компонентов, так что каждый из них представляет точную копию в предыдущем шаге.

В акте ходьбы деятельное участие принимают также верхние конечности человека: при выносе вперед правой ноги правая рука движется назад, а левая - выносится вперед. Руки и ноги челове­ка При ходьбе совершают движения в противоположных направ­лениях.

Движение отдельных звеньев свободной ноги (бедра, голени и стопы) определяется не только сокращением мышц, но и инер­цией. Чем ближе звено к туловищу, тем меньше его инерция и тем раньше оно может последовать за туловищем. Так, бедро свобод­ной ноги перемещается вперед раньше всего, поскольку оно бли­же всего к тазу. Голень, будучи дальше от таза, отстает, что ведет к сгибанию ноги в колене. Точно так же отставание стопы от голе­ни вызывает сгибание в голеностопном суставе (см. рис. 15.16).

Последовательное вовлечение мышц в работу и точная коорди­нация их сокращений при ходьбе обеспечиваются у человека ЦНС и главным образом корой больших полушарий головного мозга. С точки зрения нервного механизма, ходьба представляет собой автоматизированный цепной рефлекс, в котором афферентная им-пульсация, сопровождающая каждый предыдущий элемент движе­ния, служит сигналом для начала следующего.

Функциональный анализ ходьбы. Ходьба - это сложное цик­лическое локомоторное действие, одним из основных элементов которого является шаг (рис. 15.17).

При ходьбе, как и при других видах локомоторного движения, пере­мещение тела в пространстве происходит благодаря взаимодействию внутренних (сокращение мышц) и внешних (масса тела, сопротивле­ние опорной поверхности и др.) сил. В каждом шаге, совершаемом правой и левой ногой, различают период опоры и период маха. Наи­более характерной особенностью всех видов ходьбы по сравнению с бегом и прыжками является постоянное опорное положение одной ноги (период одиночной опоры) или двух ног (период двойной опо­ры). Соотношение этих периодов обычно равно 4:1. Как период опоры, так и период маха может быть разделен на две основные фа­зы, а именно: период опоры - на фазы переднего толчка и заднего толчка, разделенные моментом вертикали; маха - фазы заднего ша­га и переднего шага, между которыми также находится момент вер­тикали.

Фаза переднего толчка. После заключительной фазы перед­него шага начинается постановка стопы на почву при почти выпрямленном, но не закрепленном коленном суставе и согнутом, слегка отведенном и супинированном бедре. Стопа становится на опорную поверхность пяткой, после чего она совершает двойной перекат: с пятки на носок и снаружи внутрь. Этот перекат проис­ходит под влиянием силы тяжести тела и последовательного вклю­чения в работу короткой малоберцовой мышцы, поднимающей на­ружу край стопы и далее мышц - длинной малоберцовой, задней болынеберцовой, длинного сгибателя большого пальца стопы и длинного сгибателя пальцев, поддерживающих продольную ду­гу (свод) стопы. Такое движение стопы имеет двоякое значение: увеличение длины шага и растягивание мышц заднего отдела голе­ни, участвующих в отталкивании тела. В начальном периоде опоры приобретает большое значение рессорная функция, выполняемая суставами стопы и незакрепленным суставом колена. Далее под действием тяжести и инерции тела нога несколько сгибается в ко­ленном суставе и разгибается в голеностопном суставе при ус­тупающей работе четырехглавой мышцы и мышц заднего отдела голени, что еще более повышает буферные свойства конечности.

Момент вертикали. К моменту вертикали нога выпрямляется и приводится за счет сокращения большей части мышц бедра и от­части под влиянием силы тяжести. В это время стопа опирается на грунт всей подошвой, причем большинство ее мышц своим со­кращением способствует сохранению сводов и участвует в функ­ции удержания равновесия тела.

Фаза заднего толчка тела (отталкивание от опорной поверх­ности). В связи с этим контактирующая с грунтом конечность уд­линяется за счет разгибания во всех ее суставах. В тазобедренном суставе вновь происходит некоторое отведение, но в отличие от переднего толчка, сопровождаемое небольшим поворотом бедра (внутрь). Ведущая роль в этой фазе принадлежит четырехглавой, полусухожильной, полуперепончатой, длинной головке двуглавой и главным образом ягодичным мышцам.

Фаза заднего шага. В начале этой фазы (непосредственно по­сле окончания заднего толчка) маховая нога находится в поло­жении разгибания, некоторого отведения и поворота внутрь, что приводит к повороту таза вместе с туловищем в противополож­ную сторону. Из этого положения нога, производящая шаг, начи­нает совершать сгибание в тазобедренном и коленном суставах,

дополняемое незначительным поворотом ее наружу, что взаимо­связано с вращением таза в сторону маховой ноги. В это время основная нагрузка падает на мышцы: подвздошно-поясничную, при­водящие, заднего отдела бедра и отчасти на разгибатели стопы.

Момент вертикали. Маховая нога выпрямлена в тазобедрен­ном суставе и достигает максимального сгибания (по сравнению с другими фазами) в суставе колена. Сокращены главным образом мышцы заднего отдела бедра.

В фазе переднего шага мышцы заднего отдела бедра расслаб­ляются и благодаря силе инерции и кратковременному балли­стическому сокращению четырехглавой мышцы голень выбрасы­вается вперед. После этого начинается новый цикл движения.

Центр тяжести тела (ЦТ) при ходьбе (рис. 15.18, а) наряду с по­ступательными движениями (вперед), совершает еще движения бо­ковые и в вертикальном направлении. В последнем случае размах (вверх и вниз) достигает величины 4 см (у взрослого человека), при этом туловище опускается больше всего именно тогда, когда одна нога опирается всей подошвой, а другая вынесена вперед. Боковые движения (качания в стороны) центра тяжести доходят до 2 см.

Колебания ОЦТ тела в стороны связаны с перемещением на опорную ногу всей массы тела, благодаря чему траектория ОЦТ тела проходит непосредственно над площадью опоры. Чем ходьба быстрее, тем эти колебательные движения меньше, что объясня­ется влиянием инерции тела.

Размер шага в среднем принимается за 66 см, при спокойной ходьбе продолжительность его - около 0,6 сек.

Помимо мышц нижних конечностей при ходьбе включаются в ди­намическую работу почти все мышцы туловища, шеи и верхних ко­нечностей.

В связи с последовательным чередованием растяжения, сокра­щения и расслабления различных мышечных групп, что происходит во время ходьбы, значительная нагрузка на всю мышечную систе­му обычно не вызывает выраженного утомления. В значительной мере это также объясняется тем, что ритмические движения всего тела облегчают нормальную вентиляцию легких и улучшают крово­обращение всех органов, включая центральную нервную систему (ЦНС). Таким образом, ходьба - это наилучший вид физической тренировки.

Кинематические и динамические характеристики челове­ка между продольными осями смежных сегментов конечности

можно измерять (так называемые межзвенные углы). На рис. 15.18 приведены графики межзвенных углов в тазобедренном суставе (ТБС), коленном (КС), голеностопном (ГСС) и плюснефаланговом (ПФС) при ходьбе в норме.

Характерной особенностью графиков этих углов (ангулограмм) является довольно стабильная периодичность. У разных людей ме­няются только продолжительность периода и диапазон изменений угла (амплитуда). В норме эти амплитуды составляют: в ТБС 26- 30°; в КС в опорный период шага 12-15°; в переносный период - 55-62°; в ГСС подошвенное сгибание равно 17-20°; тыльное - 8-10°. В ПФС всегда имеется тыльное сгибание при переносе (10-12°), при опоре сначала идет выпрямление до 0°, а при зад­нем толчке (от заднего толчка опорной ноги тело устремляется впе­ред) в ПФС снова происходит сгибание до 10-12°.

При ходьбе человек взаимодействует с опорной поверхностью, при этом возникают силовые факторы, называемые главным век­тором и главным моментом сил реакции опоры. Типичные графи­ки вертикальной и продольной составляющих главного вектора опорной реакции при ходьбе в произвольном темпе в норме пред­ставлены на рис. 15.18. Для графика вертикальной составляющей главного вектора опорной реакции характерно наличие двух вер­шин, соответствующих переднему (опора на пятку) и заднему (от­талкивание передним отделом стопы) толчкам. Амплитуды этих вершин превышают массу человека и достигают 1,1 - 1,25Р (Р - масса человека).

Продольная составляющая главного вектора сил реакции опор имеет тоже две вершины разных знаков: первая, соответствующая переднему толчку, направлена вперед; вторая, соответствующая заднему толчку, направлена назад. Так оно и должно быть - от­талкиваясь опорной ногой, человек устремляет все тело вперед. Максимумы продольной составляющей главного вектора опорной реакции достигает 0,25Р.

Есть еще одна составляющая главного вектора опорной реак­ции - поперечная. Она возникает при переступании с одной ноги на другую и ее максимум достигает 8-10% от массы человека.

Временная структура шага. Локомоции человека - процесс периодический, в котором через приблизительно равные промежут­ки времени повторяются сходные положения тела. Наименьшее время, прошедшее от данного положения до его повторения, явля­ется временем цикла. При ходьбе и беге время цикла называют по

числу сделанных шагов «временем двойного шага». Каждая нога в своем циклическом движении находится либо на опоре, либо пе­реносится на новое место опоры (рис. 15.19).

При беге момент опоры меньше момента переноса; наблюдает­ся период свободного полета над опорой (см. рис. 15.19).

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

Биомеха́ника раздел естественных наук, изучающий на основе моделей и методов механики механические свойства живых тканей, отдельных органов и систем, или организма в целом, а также происходящие в них механические явления Биомеханика человека - наука комплексная, она включает в себя самые разнообразные знания других наук, таких как: механика и математика, функциональная анатомия и физиология, возрастная анатомия и физиология, педагогика и теория физической культуры.

2 слайд

Описание слайда:

Биомеханические исследования охватывают различные уровни организации живой материи: биологические макромолекулы, клетки, ткани (биореология), органы, системы органов, а также целые организмы и их сообщества. Чаще всего, объектом исследования этой науки, является движение животных и человека, а также механические явления в тканях, органах и системах. Под механическим движением понимается движение всей биосистемы в целом, а также движение отдельных частей системы относительно друг друга - деформация системы. Все деформации в биосистемах, так или иначе, связаны с биологическими процессами, которые играют решающую роль в движениях животных и человека. Это сокращение мышцы, деформация сухожилия, кости, связок, фасций, движения в суставах.

3 слайд

Описание слайда:

Отдельным направлением биомеханики является биомеханика дыхательного аппарата, его эластичное и неэластичное сопротивление, кинематику (то есть геометрическую характеристику движения) и динамику дыхательных движений, а также другие стороны деятельности дыхательного аппарата в целом и его частей (лёгких, грудной клетки); биомеханика кровообращения изучает упругие свойства сосудов и сердца, гидравлическое сопротивление сосудов току крови, распространение упругих колебаний по сосудистой стенке, движение крови, работу сердца и др.

4 слайд

Описание слайда:

Движения частей тела человека представляют собою перемещения в пространстве и времени, которые выполняются во многих суставах одновременно и последовательно. Движения в суставах по своей форме и характеру очень разнообразны, они зависят от действия множества приложенных сил. Все движения закономерно объединены в целостные организованные действия, которыми человек управляет при помощи мышц. Учитывая сложность движений человека, в биомеханике исследуют и механическую, и биологическую их стороны, причем обязательно в тесной взаимосвязи. Биомеханика исследует, каким образом полученная механическая энергия движения и напряжения может приобрести рабочее применение. Рабочий эффект измеряется тем, как используется затраченная энергия. Для этого определяют, какие силы совершают полезную работу, каковы они по происхождению, когда и где приложены. То же самое должно быть известно о силах, которые производят вредную работу, снижающую эффективность полезных сил. Такое изучение дает возможность сделать выводы о том, как повысить эффективность действия

5 слайд

Описание слайда:

Клиническая биомеханика Клиническая (медицинская) биомеханика является составной частью медицинских наук: ортопедии, травматологии, протезирования, (реабилитологии (лечебной физкультуры), педиатрии, физиологии и мн. других. Клиническая биомеханика - научное направление, в котором с позиций механики и общей теории управления с помощью специализированных методов исследования изучается двигательная активность человека в норме и патологии Основные разделы: Биомеханика нормальной и патологической ходьбы. Биомеханика скелетной травмы Биомеханика крупных суставов. Биомеханика позвоночника Биомеханика стопы

6 слайд

Описание слайда:

Биомеханика физических упражнений (биомеханика спорта) изучаются особенности техники выдающихся спортсменов; определяется рациональная организация действий; разрабатываются методические приемы освоения движений, методы технического самоконтроля и совершенствования техники. Биомеханика занимает особое положение среди наук в физическом воспитании и спорте. Она базируется на анатомии, физиологии и фундаментальных научных дисциплинах - физике (механике), математике, теории управления. Взаимодействие биомеханики с биохимией, психологией и эстетикой дало жизнь новым научным направлениям, которые, едва родившись, уже приносят большую практическую пользу. В их числе «психобиомеханика», энергостатические и эстетические аспекты биомеханики.

7 слайд

Описание слайда:

Антропометрия При клиническом и биомеханическом обследовании используются методы антропометрии с целью получения информации о половых и возрастных особенностях испытуемых об особенностях строения опорно-двигательного аппарата в норме и при патологии, важной информации об осанке. Обычно перед проведением специальных биомеханических исследований измеряют рост пациента стоя и сидя, длину конечностей, амплитуду движений в крупных суставах, определяют массу его тела. При помощи отвесов производят зарисовку диаграммы стояния - проекции на горизонтальную плоскость осей суставов нижних конечностей и таза. Это дает возможность составить представление об архитектонике нижних конечностей при удобном стоянии, определить величину разворота осей суставов в проекции на горизонтальную плоскость, угол разворота стоп, расстояние между внутренними поверхностями ног на различных уровнях и т.д.

8 слайд

Описание слайда:

Биомеханика - одна из самых старых ветвей биологии. Её истоками были работы Аристотеля, Галена, Леонардо да Винчи. В своих естественнонаучных трудах «Части движения и перемещение животных», Аристотель заложил основу того, что в дальнейшем, спустя 2300 лет назовут наукой биомеханикой. В своих научных трактатах он свойственной ему мышлением описывает животный мир и закономерности движения животных и человека. Он писал о частях тела, необходимых для перемещения в пространстве (локомоции), о произвольных и непроизвольных движениях, о мотивации движений животных и человека, о сопротивлении окружающей среды, о цикличности ходьбы и бега, о способности живых существ приводить себя в движение…

9 слайд

Описание слайда:

Помимо работ в области физики, астрономии и физиологии, он разрабатывал вопросы анатомии и физиологии с позиций математики и механики. Он показал, что движение конечностей и частей тела у человека и животных при поднятии тяжестей, ходьбе, беге, плавании можно объяснить принципами механики, впервые истолковал движение сердца как мышечное сокращение, изучая механику движения грудной клетки, установил пассивность расширения лёгких. Наиболее известный труд ученого «Движение животных» («Dе Motu Animalium»). Его учение основано на твердых биомеханических принципах, в своей работе он описал принципы мускульного сокращения и впервые представил математические схемы движения Основателем науки биомеханики по праву считается Джованни Борелли. Профессор университетов в Мессине (1649) и Пизе (1656). Он впервые использует биомеханическую модель для объяснения движения в биомеханической системе.

10 слайд

Описание слайда:

Французский физиолог, изобретатель и фотограф Этьенн Марей(1830–1904) впервые применил кинофотосъемку для изучения движений человека. Так же впервые им был применен метод нанесения маркеров на тело человека – протопип будующей циклографии. Важной явились исполненные Э. Майбриджем (1830-1904)(США) циклы фотографий, снятых несколькими камерами с разных точек зрения. С тех пор кинофотосъемка применяется для анализа движений как один из основных методов биомеханики. Начало анализа движения человека было положено братьями Вебер (1836) в Германии. Первый трехмерный математический анализ человеческой походки проведен Вильгельмом Брауном и его студентом Отто Фишером в 1891 году. Методология анализа ходьбы не изменилась по сегодняшний день.

11 слайд

Описание слайда:

Создателем теоретической основы современной биомеханики - учения о двигательной деятельности человека и животных можно по праву считать Николая Александровича Бернштейна (1896-1966) Понятие Н.А. Бернштейна о двигательной задаче как психической основе действий человека открыло пути изучения высших уровней сознания в двигательной деятельности человека. Подверглись подробной разработке вопросы формирования, строения и решения двигательной задачи. Эти вопросы стали рассматриваться в тесной связи со строением двигательного состава действия как системы движений. Ряд работ Бернштейна посвящён изучению динамики мышечных сил и иннервационной структуры двигательных актов. Он внёс коренные усовершенствования в технику регистрации и анализа движений (кимоциклограмма, циклограмметрия). Некоторые идеи, высказанные Бернштейном в 30-х гг., предвосхитили основные положения кибернетики.