Предмет і задачі біомеханіки

Тема: Вступ до біомеханіки. Руховий апарат людини

Лекція № 1

Заключна частина - до 5 хв.

1. Відповісти на питання студентів.

2. Підвести підсумок заняття.

3. Дати завдання на самопідготовку.

Методичну розробку доопрацював

Підполковник Павелко

План:

1. Предмет і задачі біомеханіки.

2. Геометрія мас тіла людини.

3. Ланки тіла як важелі та маятники.

4. Механічні властивості кісток і суглобів.

5. Біомеханіка м’язів:

5.1. Біомеханічні властивості м’язів;

5.2. Режими скорочення та різновиди роботи м’язів;

5.3. Групова взаємодія м’язів;

5.4. Потужність та ефективність м’язового скорочення

Біомеханіка – наука про рухові можливості і рухову діяльність людини і тварин.

Термін біомеханіка складена з двох грецьких слів: bіоs – життя і мехаnе – знаряддя. Як відомо, механіка – це розділ фізики, що вивчає механічний рух і механічну взаємодію матеріальних тіл. Звідси зрозуміло, що біомеханіка – це розділ науки, що вивчає рухові можливості і рухову діяльність живих істот.

Найбільший практичний інтерес представляє вивчення рухів людини і вищих тварин. Перші наукові праці тут написані Аристотелем (384-322 р. до н. е.), якого цікавили закономірності руху наземних тварин і людини. А основи наших знань про рухи у воді закладені Архімедом (287-212 р. до н. е.).

На становлення біомеханіки уплинули видатні мислителі минулого: римський лікар Гален (131-201 р.), Леонардо да Вінчі (1452-1519 р.), Мікеланджело (1475-1564 р.), Галілео Галілей (1564-1642 р.), Ісаак Ньютон (1642-1727 р.), учень Галілея Джованні Альфонсо Бореллі (1608-1679 р.)—автор першої книги по біомеханіці «Про рухи тварин», що опублікована в 1679 р.

И. М. Сєченов (1829—1905 р.), П. Ф. Лесгафт (1837-1930 р.), А. А. Ухтомський (1875-1942 р.) та основоположник вітчизняної біомеханічної школи Н. А. Бернштейн (1896-1966 р.) багато зробили для розвитку біомеханіки праці і спорту. Крім того, в останні десятиліття виникли і розвиваються:

· інженерна біомеханіка, основні досягнення якої зв'язані з роботобудуванням;

· медична біомеханіка, що досліджує причини, наслідки і способи профілактики травматизму, міцність опорно-рухового апарата, питання протезобудівництва;

· ергономічна біомеханіка, що вивчає взаємодію людини з навколишніми предметами з метою їх оптимізації.

Але центральним розділом біомеханіки залишається біомеханіка фізичних вправ. Вона вивчає рухову діяльність людини під час спортивних тренувань і змагань і в процесі занять масовими й оздоровчими формами фізичної культури, у тому числі на уроках фізкультури в школі. Безупинно удосконалюючись, біомеханіка фізичних вправ поступово перетворюэться в біомеханіку рухової активності, що охоплює усі сторони рухової діяльності людини. (Надалі біомеханіку фізичних вправ будемо називати просто біомеханікою.)

“Будівля” сучасної біомеханіки складається як би з трьох “секцій” і трьох “поверхів ” (рис 1.1).

Біомеханіка поділяється на загальну, диференціальну і приватну.

Загальна біомеханіка вирішує теоретичні проблеми і допомагає довідатися, як і чому людина рухається. Цей розділ біомеханіки дуже важливий для практики фізичного виховання і спорту, тому що “немає нічого практичніше гарної теорії ”.

Диференціальна біомеханіка вивчає індивідуальні і групові особливості рухових можливостей і рухової діяльності. Вивчаються особливості, що залежать від віку, статі, стану здоров'я, рівня фізичної підготовленості, спортивної кваліфікації тощо.

Приватна біомеханіка розглядає конкретні питання технічної і тактичної підготовки в окремих видах спорту і різновидах масової фізкультури. У тому числі в оздоровчому бігу і ходьбі, загальнорозвиваючих гімнастичних вправах, ритмічній гімнастиці на суші (аеробіка) і у воді (акваробіка) тощо. Основне питання приватної біомеханіки – як навчити людину правильно виконувати різноманітні рухи чи як самостійно засвоїти культуру рухів.

На трьох “поверхах” (рівнях) біомеханіки вивчають:

Рухи – рухові дії – рухову діяльність. На першому рівні фактичні дані для дослідження рухів добуваються найчастіше в експериментах з ізольованими м'язами й іншими частинами тіла тварин.

За рідкісним винятком (наприклад, руху немовляти) здорова людина виконує цілеспрямовані і мотивовані рухи, чи рухові дії. На цьому рівні біомеханіка вивчає й удосконалює техніку рухових дій (наприклад, техніку стрибка, удару, кроку і т.д.).

Третій рівень біомеханіки присвячений тактиці рухової діяльності. При виконанні фізичних вправ рухова діяльність складається з рухових дій, як ланцюг з ланок. Наприклад, біг складається з окремих кроків; стрільба – із приготування, прицілювання і пострілу; штрафний удар – з розбігу й удару ногою по м'ячі. Рухові дії в такому ланцюзі взаємозалежні і взаємообумовлені. Тому рухова діяльність – це система рухових дій.

Біомеханіка займає особливе положення серед наук про фізичне виховання і спорт. Вона базується на анатомії, фізіології і фундаментальних наукових дисциплінах – фізиці (механіці), математиці і теорії керування. Взаємодія біомеханіки з біохімією, психологією й естетикою дало життя новим науковим напрямкам, що, ледь народившись, уже приносять велику практичну користь. У їхньому числі “психобіомеханіка”, енергетичні і естетичні аспекти біомеханіки.

Більше інших медико-біологічних і педагогічних дисциплін біомеханіка використовує досягнення електронно-обчислювальної техніки.

Але головне – біомеханіка служить сполучною ланкою між теорією і практикою фізичного виховання, спорту і масової фізичної культури. Спираючись на знання біомеханіки, педагогу легше учити своїх вихованців. Але для цього необхідно вміти аналізувати рухову діяльність, чи, говорячи професійною мовою, читати рухи. Тут можна провести аналогію з музикою. Неспеціаліст сприймає фонограму музичного твору емоційно. А професіонал-музикант розрізняє голоси різних інструментів, тонко оцінює погодженість їхнього звучання, зауважує помилки і, крім того, може “думкою почути” звуки, записані на нотних лінійках. Так і фахівець з фізичного виховання повинний уміти “думкою побачити” рух, якщо зареєстровані його характеристики (траєкторія, швидкість, сила тощо).

Процедура аналізу рухової діяльності (біомеханічного аналізу) складається з наступних етапів:

1. Вивчення зовнішньої картини рухової діяльності. Насамперед з'ясовують, з яких рухових дій вона складається й у якому порядку дії відбуваються один за одним. Наприклад, шкільний урок фізичної культури складається з ряду вправ. Потрібно враховувати, що характер, тривалість і інтенсивність попередніх вправ впливають на якість виконання наступних.

Вивчаючи зовнішню картину рухової діяльності, реєструють кінематичні характеристики. Особливо важливо знати тривалість окремих частин руху (фаз), графічним відображенням чого є хронограма. Хронограма рухової дії характеризує техніку (рис. 1.2), а хронограма рухової діяльності – перше, на що звертають увагу при аналізі спортивної тактики.

2. З'ясування причин, що викликають і змінюють рухи. Вони не доступні візуальному контролю, і для їхнього аналізу необхідно реєструвати динамічні характеристики. Найважливіше значення тут мають величини сил, що діють на людину ззовні і створюються його власними м'язами.

3. Визначення топографії працюючих м'язів. На цьому етапі виявляється, які м'язи і як беруть участь у виконанні даної вправи. Знаючи, які м'язи переважно забезпечують рухову діяльність, до якої готує себе людина, можна з безлічі фізичних вправ відібрати сприятливі розвитку саме цих м'язів і їхньої координації.

У залежності, від того, яка частина всієї м'язової маси тіла задіяна, розрізняють: глобальну м'язову роботу, регіональну і локальну. Так, бігуни, плавці, лижники виконують глобальну м'язову роботу. До регіональної відноситься, наприклад, м'язова робота, виконувана при деяких загальнозвиваючих гімнастичних вправах (підтягуванні на поперечині, підніманні ніг і верхньої частини тулуба з положення лежачи на спині тощо).

Уявлення про те, які м'язи задіяні в кожній вправі, можна одержати, реєструючи їхню електричну активність. Чим інтенсивніше працює м'яз, тим вище його електрична активність і більше амплітуда електроміограми.

На рис. 1.3 показані місця накладання електродів при запису електроміограми, а на рис. 1.4 – приклад графічного відображення м’язів що працюють.

Добре відомо, що різні рухи відрізняються один від одного по кінематиці (зовнішній картині) і динаміці (характеру силових взаємодій). Точно так само і електроміографічний портрет рухів неоднаковий у різних вправах. Але, як пише Р. С. Персон, “навіть дуже складні рухи, якщо вони досить автоматизовані (наприклад, ходьба й інші локомоції, звичайні побутові, професійні і спортивні рухи), мають більш-менш постійний малюнок збудження м'язів не тільки при повторенні руху однією людиною, але й у різних людей”.

4. Визначення енергетичних витрат і того, як доцільно витрачається енергія працюючих м'язів. Для відповіді на ці питання реєструють енергетичні характеристики. Поряд з величинами енерговитрат важлива економічність, що тим вище, чим більше частка корисних енерговитрат стосовно усієї витраченої енергії. Підраховано, наприклад, що у стаєрів вищої кваліфікації підвищення економічності бігу на 20% переміщає бігуна в списку кращих з 10-го на 1-е місце.

5. Виявлення оптимальних рухових режимів (найкращої техніки рухових дій і найкращої тактики рухової діяльності) здійснюється на заключному етапі біомеханічного аналізу. Тут же оцінюється ступінь відповідності реально маючих місце й оптимальних варіантів техніки і тактики.

Оптимальним (від лат. Орtімus – найкращий) називається найкращий варіант із усіх можливих. У спорті (а останнім часом і в оздоровчій фізкультурі) постійно йде пошук оптимальних варіантів техніки і тактики і визначення ступеня відповідності рухового режиму, що спостерігається реально, оптимальному. Тим самим вирішується задача оптимізації рухової діяльності чи її раціоналізації (якщо не вдається досягти ідеалу, але можна до нього наблизитися).

Оптимізацією називають вибір найкращого варіанта з числа можливих. Але що таке найкращий варіант рухової діяльності? Загальної відповіді на це питання не існує, оскільки усі залежить від конкретної ситуації і поставленої мети. Так, людина, що рятується від переслідувачів, не думає про красу й економічність. Головне – бігти швидко. Інша справа, гімнастка, що виконує вільні вправи. Вона прагне рухатися якнайкраще, відповідно до естетичних канонів свого виду спорту. У цих ситуаціях різні міркування людей. І тому неоднакові критерії оптимальності, тобто показники, використовувані для оцінки ступеня досягнення поставленої мети (рис. 1.5).

Економічність рухової діяльності зворотно пропорційна енергії, що витрачається на одиницю виконуваної роботи чи метр пройденого шляху. Це найважливіший критерій оптимальності, і ми ще не раз до нього повернемося.

Механічна продуктивність тим вище, ніж більший обсяг роботи виконується за визначений час чи чим швидше виконується даний обсяг роботи. Наприклад, у циклічних видах спорту механічна продуктивність оцінюється часом подолання дистанції, а в масовій фізичній культурі – відстанню, що людині може пройти, чи пробігти пропливти за 12 хв.

Точність рухових дій має двох різновидів: цільова точність і точність відтворення заданої зовнішньої картини рухів (наприклад, при виконанні –“школи” у фігурному катанні). Цільова точність оцінюється відхиленням точки улучення від центра мішені (наприклад, у стрільбі) чи відношенням числа успішно виконаних рухових дій до їхнього загального числа (ударів у боксі і спортивних іграх, кидків у боротьбі, передач і прийомів м'яча тощо).

Естетичність оцінюється близькістю кінематики (тобто зовнішньої картини руху) до естетичного ідеалу загальноприйнятому чи прийнятому у даному виді спорту (фігурному катанні, художній гімнастиці, синхронному плаванні і т.п.).

Комфортабельними вважаються плавні рухи. Чим більше трясеться тіло при ходьбі, бігу тощо, тим нижче комфортабельність.

Безпека тим вище, чим менше імовірність травми.

Трудомісткість біомеханічного аналізу і користь від нього залежать від того, наскільки педагог прагне розібратися в техніці і тактиці своїх учнів. Розрізняють системно-структурний і функціональний підходи до аналізу рухової діяльності.

Функціональний підхід дозволяє констатувати ті чи інші недосконалості техніки і тактики, Наприклад, на уроці фізкультури можна побачити, що техніка підтягування в багатьох відрізняється від еталонної, рекомендованої в нормативах. Але як її виправити? функціональний підхід не дає відповіді на це питання. Він дотримується принципу: опановувати процесом керування без повного розкриття його внутрішньої природи. Зрозуміло, що такий шлях ненадійний. Не маючи ясних рекомендацій для усунення недоліків у техніку і тактику, викладач змушений діяти навмання.

Системно-структурний підхід дає більш конкретні рекомендації. Педагог, що застосовує при навчанні своїх учнів системно-структурний підхід, прагне до пізнання сполуки і структури рухової діяльності, тобто до відповіді на питання, з яких елементів вона складається і як вони зв'язані між собою. Крім того, з'ясовують внутрішні механізми, тобто прагнуть відповісти на запитання, чому рухові дії виконані саме так, а не інакше. Найбільше широко розповсюдженим прийомом системно-структурного підходу є виконуване за визначеними правилами поділ рухової дії на частині (“фази”).

Функціональний і системно-структурний підходи до аналізу й удосконалювання рухової діяльності доповнюють один одного. Застосовуючи системно-структурний підхід, педагог веде аналіз від складного до простого. Елементи рухової діяльності, що знаходяться на нижній ступені ієрархічної градації, залишаються нерозкритими, не деталізованими і розглядаються вже з позицій функціонального підходу. Рівень, на якому системно-структурний підхід переходить у функціональний, залежить від розв'язуваних задач.

Наприклад, при тактичній підготовці рухові дії (технічні елементи) вважаються “неподільними цеглинками”, з яких складається рухова діяльність. А при технічній підготовці детально вивчається взаємодія м'язів, кісток, суглобово-зв'язкового апарата. Але стосовно окремих елементів рухового апарата застосовується функціональний підхід: їхня будова і функціонування на молекулярному рівні зазвичай не розглядаються.

У сучасній біомеханіці гармонійно переплітаються ідеї і методи оптимізації рухової діяльності, функціонального і системно-структурного підходів, автоматизованого контролю за техніко-тактичною майстерністю спортсмена, моделювання техніки і тактики на електронно-обчислювальних машинах. Але головним залишається думка і праця дослідника, що осягає закономірності рухів, і педагога, що використовує ці досягнення в навчальному і тренувальному процесах.

2. Геометрія мас тіла людини.

Руховий апарат людини – це саморушний механізм, що складається з 600 м'язів, 200 кісток, декількох сотень сухожиль. Ці цифри приблизні, оскільки деякої кісти (наприклад, кісти хребетного стовпа, грудної клітки) зрослись одна з однією, а багато м'язів мають кілька голівок (наприклад, двоголовий м'яз плеча, чотириглавий м'яз стегна) чи поділяються на безліч пучків (дельтоподібна, велика грудна, пряма м'яз живота, найширший м'яз спини і багато хто інші). Вважається, що рухова діяльність людини порівнянна по складності з людським мозком – самим досконалим створенням природи. І подібно тому як вивчення мозку починають з дослідження його елементів (нейронів), так і в біомеханіці насамперед вивчають властивості елементів рухового апарата.

Руховий апарат складається з ланок. Ланкою називається частина тіла, розташована між двома сусідніми суглобами чи між суглобом і дистальним кінцем. Наприклад, ланками тіла є: кисть, передпліччя, плече, голова тощо.

Геометрією мас називається розподіл мас між ланками тіла й усередині ланок. Геометрія мас кількісно описується мас-інерційними характеристиками. Найважливіші з них – маса, радіус інерції, момент інерції і координати центра мас.

Маса (т) – це кількість речовини (у кілограмах), що міститься в тілі чи окремій ланці.

Разом з тим маса – це кількісна міра інертності тіла стосовно діючої на нього сили. Чим більше маса, тим інертніше тіло і тим важче вивести його зі стану спокою чи змінити його рух.

Масою визначаються гравітаційні властивості тіла. Вага тіла (у Ньютонах) P = m ∙ g, де g=9,8 м/с² – прискорення тіла, що вільно падає.

Маса характеризує інертність тіла при поступальному русі. При обертанні інертність залежить не тільки від маси, але і від того, як вона розподілена щодо осі обертання. Чим більше відстань від ланки до осі обертання, тим більше внесок цієї ланки в інертність тіла. Кількісною мірою інертності тіла при обертальномурусі служить моментінерції:

J = mR² _ін,

де R _ін – радіус інерції – середня відстань від осі обертання (наприклад, від осі суглоба) до матеріальних точок тіла.

Центром мас позначається точка, де перетинаються лінії дії усіх сил, що приводять тіло до поступального руху і не спричиняють обертань тіла. У полі гравітації (коли діє сила ваги) центр мас збігається з центром ваги. Центр ваги – точка, до якої прикладена рівнодіюча сил ваги всіх частин тіла. Положення загального центру мас тіла визначається тим, де знаходяться центри мас окремих ланок. А це залежить від пози, тобто від того, як частини тіла розташований друг щодо друга в просторі.

У людському тілі близько 70 ланок. Але настільки докладного опису геометрії мас найчастіше і не потрібно. Для рішення більшості практичних задач досить 15-ланкової моделі людського тіла (рис. 1.6). Зрозуміло, що в 15-ланковій моделі деякі ланки складаються з декількох елементарних ланок. Тому такі укрупнені ланки вірніше називати сегментами.

Цифри на рис. 1.6 вірні для «середньої людини», вони отримані шляхом усереднення результатів дослідження багатьох людей. Індивідуальні особливості людини, і в першу чергу маса і довжина тіла, впливають на геометрію мас.

У Н. Селуянов установив, що маси сегментів тіла можна визначити за допомогою наступного рівняння:

m_x =B₀ + B₁m + B₂H,

де m_x – маса одного із сегментів тіла (кг), наприклад стопи, гомілки, стегна і тощо; m – маса всього тіла (кг); H – довжина тіла (см); B_0, B_1, B₂ – коефіцієнти регресійного рівняння, вони різні для різних сегментів (табл. 1.1).

Таблиця 1.1

Коефіцієнти рівняння для обчислення маси сегментів тіла по масі (m) та довжині (H) тіла

Сегменти	Коефіцієнти рівнянь
B0	B1	B2
Стопа	– 0,83	0,008	0,007
Гомілка	– 1,59	0,036	0,012
Стегно	– 2,65	0,146	0,014
Кисть	– 0,12	0,004	0,002
Передпліччя	0,32	0,014	– 0.001
Плече	0,25	0,030	– 0,003
Голова	1,30	0,017	0,014
Верхня частина тулуба	8,21	0,186	– 0,58
Середня частина тулуба	7,18	0,233	– 0, 66
Нижня частина тулуба	– 7,50	0,098	0,049

Примітка. Величини коефіцієнтів округлені і вірні для дорослого чоловіка.

Для того щоб усвідомити, як користатися таблицею 1.1 і іншими подібними таблицями, обчислимо, наприклад, масу кисті людини, у якого маса тіла дорівнює 60 кг, а довжина тіла 170.

Маса кисті =-0,12+0,004Х60+0,002 X 170 =0,46 кг.

Знаючи, які маси і моменти інерції ланок тіла і де розташовано їхні центри мас, можна вирішити багато важливих практичних задач. У тому числі:

· визначити кількість руху, що дорівнює добутку маси тіла на його лінійну швидкість (m ∙ v);

· визначити кінетичний момент, що дорівнює добутку моменту інерції тіла на кутову швидкість (Јω); при цьому потрібно враховувати, що величини моменту інерції щодо різних осей неоднакові;

· оцінити, чи важко керувати швидкістю тіла чи окремої ланки;

· визначити ступінь стійкості тіла тощо.

З цієї формули видно, що при обертальному русі щодо тієї ж осі інертність людського тіла залежить не тільки від маси, але івід пози. Надамо приклад.

На рис. 1.7 зображена фігуристка, що виконує обертання. На рис. 1.7, А спортсменка обертається швидко і робить близько 10 обертів за секунду. У позі, зображеної на рис. 1.7, Б, обертання різке сповільнюється і потім припиняється. Це відбувається тому, що, відводячи руки в сторони, фігуристка робить своє тіло інертніше: хоча маса (m) залишається тієї ж, збільшується радіус інерції (R_ін) і, отже, момент інерції.

Ще однією ілюстрацією сказаному може бути жартівна задача: що має більшу вагу (точніше, інертніше) – кілограм заліза чи кілограм вати? При поступальному русі їх інертність однакова. При коловому русі сутужніше переміщати вату. Її матеріальні точки далі відстоять від осі обертання, і тому момент інерції значно більше.

Дата добавления: 2014-01-07