Биомеханика движения человека

1.Введение

    Термин биомеханика составлен из двух греческих слов: Bios - жизнь и mexane - орудие. Механика - это раздел физики, изучающий механическое движение и механическое взаимодействие материальных тел. Отсюда понятно, что биомеханика - это раздел науки, изучающий двигательные возможности и двигательную деятельность живых существ.

     Движение  лежит в основе жизнедеятельности  человека. Разнообразные химические и физические процессы в клетках  тела, работа сердца и течение крови, дыхание, пищеварение и выделение; перемещение тела в пространстве и частей тела относительно друг друга; сложнейшая нервная деятельность, являющаяся физиологическим механизмом психики, восприятие и анализ внешнего и внутреннего  мира - все это различные формы  движения материи.

     Основным  условием жизни вообще является взаимодействие живого организма с окружающей средой. В этом взаимодействии существенную роль играет двигательная деятельность. Только передвигаясь, животное может  находить себе пищу, защищать свою жизнь, производить потомство и обеспечивать его существование. Только при помощи разнообразных и сложных движений человек совершает трудовую деятельность, общается с другими людьми, говорит, пишет и пр. Определенным образом  организованная двигательная деятельность является основой физического воспитания и основным содержанием спорта.

     Наиболее  элементарной формой движения материи  является механическое движение, т.е. перемещение  тела в пространстве. Закономерности механического движения изучаются  механикой. Предметом механики как  науки является изучение изменений  пространственного расположения тел  и тех причин, или сил, которые  вызывают эти изменения.

     Вскрывая  и описывая условия, необходимые  для осуществления того или иного  механического движения, механика является важной теоретической основой техники, в особенности техники построения разнообразных механизмов. Механическая точка зрения может быть использована и при изучении механических движений человека.

     Двигательная  деятельность человека практически  осуществляется при участии всех органов тела. Однако непосредственным исполнителем функции движения является двигательный аппарат, состоящий из костей, скелета, связок и мышц с  их иннервацией и кровеносными сосудами. С механической точки зрения, двигательный аппарат совмещает в себе рабочую машину и машину-двигатель.

     Устройство  двигательного аппарата является предметом  изучения анатомии. Изучение двигательного  аппарата как машины-двигателя производится, главным образом, биохимией и  физиологией. Изучение его как рабочей  машины является задачей особой научной  дисциплины - биомеханики.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.Биомеханика  движения человека

2.1. Биомеханические характеристики

    Специфической особенностью биомеханики являются биомеханические характеристики движений. Это показатели количественной оценки, описания и анализа механического  состояния в результате двигательной деятельности. Все биомеханические  характеристики делятся на кинематические, динамические и энергетические. 

2.1.1.Кинематические  характеристики

    Кинематические  характеристики отражают движение тела и его частей в пространстве и их изменение во времени, т.е. дают внешнюю картину (форму, характер) двигательной деятельности. К ним относят пространственные, временные, пространственно - временные характеристики. Все перемещения тела можно измерить только базируясь на сравнении положения какого-либо тела или точки отсчета, т.е. все движения рассматриваются как относительные, поэтому необходимо выбрать системы отсчеты расстояний и времени. Система отсчета (расстояния) - условно выбранное твердое тело (точка), относительно которого определяют положение других тел в разные моменты времени. Наиболее популярной системой отсчета является прямоугольная система координат, в которой положение материальной точки в пространстве описывается ее координатами на трех взаимно перпендикулярных осях (вертикальной и двух горизонтальных - поперечной и продольной) (рис.1).

Самой простейшей системой отсчета является естественный способ описания движения, когда за исходную точку принимают  точку на известной траектории перемещения (километровый указатель на дороге) (рис.1).

В векторном  способе отсчета расстояний положение  точки определяют радиус-вектором R (рис.1), проведенным из центра данной системы координат к интересующей точке (используется в навигации, ориентировании и т.д.). Как частный случай векторного способа выделяют способ полярных координат, когда расстояние определяют длинной  вектора, а направление - углом между  вектором и принятым исходным направлением (полярная ось) (рис.1) (используется в  парусном спорте и в спортивном ориентировании).

Используя несложные вычисления можно легко  переходить от способа прямоугольных  координат к полярному и наоборот. Зная координаты точки можно определить вектор и угол: 
 
 
 

Рисунок 1

     
В систему отсчета времени входят определение начала движения и единицы  отсчета продолжительности движения. За единицу отсчета времени принимают  секунду, минуту, час, долю секунд и  т.д.).

    К пространственным характеристикам, определяющим положение тела и его частей в  пространстве, относят координаты точки - это пространственная мера местоположения точки относительно точки отсчета. Рис.1 Способы отсчета расстояний: а) прямоугольных координат, б) естественный, в) векторный, г) полярный.

    Перемещение тела (точки) - это расстояние по прямой между начальным и конечным положением тела. Линейное перемещение измеряется в единицах длины (метрах). Угловое перемещение угол поворота тела или его частей (при вращательных движениях) измеряется в градусах. Элементарное перемещение - это такое перемещение точки, при котором расстояние между конечным и начальным положением тела стремится к нулю.

    Траектория - это множество точек пространства через которые последовательно проходит тело во время движения в данной системе координат.

    Временные характеристики раскрывают движение во времени. К ним относится момент времени, длительность, темп и ритм движения.

    Момент  времени - это временная мера положения точки тела в принятой системе отсчета времени. Это промежуток времени стремящийся к нулю. Например, момент старта и др.

    Длительность  движения - это временная мера, определяемая разностью времен окончания и начала движения.

      
 
       Темп движения - это временная мера повторения движений. Измеряется количеством повторяемых движений в единицу времени.

;

Например, количество шагов в секунду отображает количественную сторону движения.

    Ритм  движения - это временная мера соотношения частей движения. Величина безразмерная, характеризует качественную сторону структуры движения, например, в отношение времени фазы опоры ко времени фазы полета в беге. 

    Пространственно - временные характеристики позволяют  оценить движение тела одновременно в двух системах отсчета (в пространстве и во времени), к ним относятся  скорость и ускорение. Скорость показывает, как быстро изменяются координаты тела и его материальных точек.

    Скорость  равна отношению перемещения  тела к промежутку времени, за который  это перемещение произошло:

-линейная  скорость:

-угловая  скорость:

Ускорение характеризует быстроту изменения  скорости:

- линейное ускорение : 

- угловое ускорение : 

    Средняя скорость - это такая скорость, с  которой тело при равномерном  движении за какое-то время прошло бы все перемещение:

     
 
        Мгновенная скорость - это перемещение тела за промежуток времени, стремящийся к нулю. Это перемещение в данный момент времени. 
 
 

2.1.2. Динамические характеристики

    Все движения человека изменяются по величине, направлению и скорости. Причиной этих изменений являются действующие  на биосистему внешние и внутренние силы. Для анализа механизма движений биосистемы исследуют динамические характеристики, к ним относят  инерционные характеристики (свойства тела человека и др. тел)

    Инертность - это свойство тела или его частей сохранять свое внутреннее состояние, состояние движения или состояние покоя. Под инерцией внутреннего состояния системы подразумевается напряжение мышц (упругие деформации мышц), температура тела и т.п. Инерция покоя оценивается массой тела, измеряемой отношением величины приложения силы к вызываемому им ускорению:

     
 
         Инерция движения тела определяется величиной силы необходимой для остановки тела и направленной противоположно движению:

    Сила - это мера механического действия одного тела на другое. Числено определяется произведением массы тела на его ускорение, вызванное данной силой.

    При вращательном движении инертность тела определяется моментом инерции, равным произведению массы тела на квадрат  радиуса вращения. 

     
        Действие силы определяется моментом силы, равным произведению величины силы на ее плечо: 

     
         Ускорение, приобретенное телом, прямо пропорционально действующей силе и обратно пропорционально его инертности:

- линейное  ускорение 

- угловое  ускорение : 

Поскольку ускорение есть изменение скорости в единицу времени: 

отсюда  следует: 

    Значит, изменение скорости тела зависит  от величины силы и времени ее действия (t). Следовательно, можно выделить биомеханические  характеристики:

- импульс  силы: 

- импульс  момента силы: 

где ∆t = t_к – t_н - интервал времени от начала до окончания действия силы;

- средние величины  силы вращающего  момента.

    Импульс силы - это мера воздействия силы на твердое тело за данный промежуток времени (в поступательном движении). 

    Импульс момента силы - это мера воздействия момента силы относительно данной оси за данный промежуток времени (во вращательном движении) 

    Вследствие  воздействия импульса силы или момента  силы тело изменяет свое движение или  состояние. Эти изменения определяются количеством движения и кинетическим моментом. 

    Количество  движения - это мера поступательного движения, она определяется произведение массы тела на его скорость: 
 

     
        Кинетический момент - это мера вращательного движения, она определяется произведением момента инерции тела относительно оси вращения на его скорость.

2.1.3. Энергетические характеристики

    Энергетические  характеристики показывают, как изменения скорости движения и положения тела изменяют его энергетическое состояние. При движениях тело совершает работу. Механическая работа равна произведению силы на перемещение:

     
 
        Для оценки силы определяют ее мощность, характеризующую быстроту выполнения работы. Мощность силы - это мера эффективности работы, т.е. быстроты выполнения работы, определяется следующим образом: 

     
        Энергия - это запас работоспособности системы. Кинетическая энергия механического движения тела определяет возможность совершения работы. 

    Потенциальная энергия тела - это энергия его положения, обусловленная взаимным расположением тел или частей тела; это энергия состояния тела, обусловленная внутренним напряжением мышц, температурой тела и др. 

 
где g - ускорение свободно падающего тела, h - высота центра масс тела над поверхностью земли, С - модуль упругости, ∆l - упругая деформация тела.

    Экономичность двигательного аппарата человека характеризуется  рядом показателей, в том числе  коэффициентом механической эффективности: 

где Е - количество метаболической энергии, N - скорость ее расходования, А - энергетическая стоимость метра пути или единицы  полезной работы.

    Биомеханические характеристики являются одним из основных вопросов биомеханики. Без их усвоения нельзя рассчитывать на успех в изучении и практическом применении биомеханики. 

2.2.Биомеханическая характеристика выносливости

    Выносливость - это способность человека выполнять какую-либо работу с сохранением её качества, а так же преодолевать утомление и эффективно действовать при этом.

    Если  человек длительное время выполняет  какое-то двигательное задание, то его  движения можно классифицировать:

- по  интенсивности (скорость, сила и  т.д.);

- по  объему (метры, работа и т.д.);

- по  времени выполнения (секунда).

Эти показатели относят к эргометрическим.

    Взаимосвязь этих показателей отображает так  называемое правило обратимости  двигательных заданий.

Выделяют 3 способа определение выносливости:

I способ.

- задается  время выполнения работы: ;

- измеряется  объем работы (расстояние): ;

- определяется  скорость выполнения: ;

II способ.

- объем  работы постоянен: ;

- измеряется  время выполнения: ;

- определяется  скорость выполнения движения: ;

III способ.

- скорость  выполнения постоянная: ;

- измеряется  время выполнения: ;

- определяется  объем работы: ; 

2.2.1 Утомление и его  биомеханическое  проявление

 
       Для оценки выносливости используют термин утомление, что означает временное снижение работоспособности. Различают умственное, эмоциональное и физическое утомление. Биомеханика рассматривает только физическое утомление.

    При мышечной работе утомление проходит через 2 фазы:

1. Фаза  компенсированного утомление - когда  человек сохраняет интенсивность движения на прежнем уровне (например, скорость бега).

2. Фаза  декомпенсированного утомления  - когда, несмотря на все старания, человек не может сохранить необходимую интенсивность (например, турист, отставший от группы).

    Утомление проявляется как в субъективных ощущениях, так и в объективных  физиологических и биомеханических  сдвигах - уменьшение систалического давления, сдвиг PH крови в кислотную сторону.

    В фазе компенсированного утомления  скорость передвижения не снижается, а  изменяется только техника движения. Наиболее часто уменьшается длина  шагов, которая компенсируется возрастанием частоты. Особенно наглядно это проявляется  в плавании за механическим лидером.

 
2.2.2 Факторы, характеризующие выносливость

Из априорной  оценки следует, что на выносливость влияет: 

    Из  физиологии и биомеханики известно, что энергетический потенциал организма  можно составить из следующих  составляющих:

МПК Окислительная  энергетическая система (максимальное потребление кислорода)

F₀ - Фосфогенная энергетическая система (емкость)

L₀ - Лактацидная энергетическая система (емкость)

Следовательно, энергетический потенциал (метаболический) организма можно представить  суммой его энергетических систем:

Отсюда  можно вывести понятие коэффициента механической эффективности, он равен: 
 

2.2.3. количественная оценка экономичности двигательной деятельности

     
        Рассмотрим экономичность совместно с метаболической и механической сторон. Для количественной оценки удобна следующая формула: 

Где КС – кислородная стоимость метра  пути; 

V₀₂ – потребление кислорода;

V – средняя скорость передвижения.

    Методика  количественной оценки экономичности  двигательной деятельности существенно  упрощается, если оценивать энергетическую стоимость передвижения по частоте  сердечных сокращений (ЧСС), тогда  определяется пульсовая стоимость  метра пути, т.к. ЧСС тесно коррелирует  с потреблением кислорода. 

Применяют также оценку в виде "рабочего пульса" 

где V - средняя скорость передвижения.

 
2.2.4. Способ измерения выносливости

     
       Выносливостью называется способность противостоять утомлению. Основной мерой выносливости является удержание заданной интенсивности движения. Например, на велоэргометре выставляется нагрузка 2000 гкм, и предлагается педалировать со скоростью 60 км/ч. Время удержания такой нагрузки с такой скоростью и будет определять выносливость спортсмена.

    Другой  пример: отжимают штангу весом 50 кг до отказа. Более вынослив тот, кто большее  число раз поднимет штангу. Это  абсолютная (явная) выносливость. Если учесть, что максимальная сила Fmax спортсменов  различна, например, у одних 40 кг, у  других 100 кг, то предлагают выжимать штангу, равную половине максимальной силы, т.е. 20 и 50 кг. Количество отжатий даст в  этом случае относительную (латентную) выносливость. Латентная выносливость определяется: 

    1. Коэффициентом выносливости - отношение  времени преодоления всей дистанции  (400 - 48с) ко времени преодоления  короткого отрезка. Тогда коэффициент  выносливости определяют: КВ = tg / tдэт  = 48 /11 = 4,36.

     
        2. Запас скорости - разность между средним временем преодоления эталонного короткого отрезка (например, 100м) и лучшим временем на этом отрезке (400м) ЗС = tg / n - tэт = 48 / 4 - 11 = 1с, где n = 400м / 100м = 4. Чем меньше запас скорости, тем выше выносливость. С ростом мастерства запас скорости уменьшается. Например, у сильных бегунов на 400м он равен 1с, а у начинающих -3c.

2.3. Двигательный аппарат  человека как биомеханическая  система

 
2.3.1. Соединение  звеньев тела

     
       Опорно-двигательный аппарат состоит из органов опоры и движения. Твердую основу двигательного аппарата составляет его костный осевой скелет. Все кости соединяются в скелет посредством суставов. Мышцы, прикрепляющиеся к костям, обуславливают движения человека.

    Таким образом, подвижно соединенные кости  скелета под действием мышц обеспечивают двигательную функцию. Такая упрощенная модель тела человека называется биомеханической системой. На ней удобно изучать закономерности движения. Два костных звена, соединенные суставом, образуют биокинематическую пару . В скелете человека больше всего вращательных пар (т.е. шарнирных соединений). Винтовая пара (т.е. вращение с поступательным перемещением) имеется только в голеностопном суставе. И совсем нет поступательных пар. Несколько биокинематических пар, соединенных последовательно, образуют биокинематическую цепь.                     

    Различают замкнутые и незамкнутые биокинематические  цепи. Незамкнутая - имеет свободное (конечное) звено. Здесь возможны изолированные  движения в отдельно взятом звене. В  замкнутых - нет свободного конечного  звена. Здесь изолированные движения в одном звене не возможны, т.к. в движение неизбежно вовлекаются  и другие соединения. Незамкнутая  связь может перейти в замкнутую, если звено получит связь с  другим звеном посредством опоры  или захвата.

 
2.3.2. Степени свободы  в биокинематических  цепях 

    Количеством степеней свободы тела называется количество независимых координат, которые  определяют перемещение тела в пространстве.

    Тело  может передвигаться относительно трех взаимно-перпендикулярных осей поступательно  и совершать вокруг них вращательные движения. Если закрепить свободное  тело в одной точке, то у него останется 3 степени свободы, т.к. оно может  вращаться вокруг трех осей. Если закрепить еще одну точку, то тело будет иметь только одну степень свободы - вращение вокруг оси. Если закрепить еще одну точку, то тело будет закреплено неподвижно и совсем не будет иметь степеней свободы.

    В теле человека закрепление части  тела в одной точке имеет шаровидный сустав. Так в плечевом суставе  звено может только вращаться  вокруг трех осей. В открытых (разомкнутых) биокинематических цепях степени  свободы суммируются. Так, у бедра, относительно таза 3 степени свободы, у голени относительно бедра - 2 степени, значит у голени относительно таза уже 5 степеней свободы. Поэтому возможности  комбинаций всех траекторий движения во всех суставах больше.

    В спортивной практике ограничивают число  степеней свободы для рационального  движения и экономии движения. Так, например, лодка на гладкой поверхности  имеет 3 степени свободы: перемещение  по осям Х,У и поворот на угол α . При крене добавляется четвертая  степень свободы (угол j ). К четырем  степеням свободы добавляются перемещения  в коленном суставе, тазобедренном, плечевом, локтевом, лучезапястном, перемещение  банки и 3 степени свободы у  весла. Всего 13 степеней свободы. Это  минимальное число степеней свободы. Максимальное - значительно больше.

    Для экономии энергии нужно уменьшать  число степеней свободы. Для уменьшения числа степеней свободы надо выполнять  только те движения, которые вызовут  прямолинейные поступательные движения лодки вдоль дистанции.

 
2.3.3. Звенья тела  как рычаги и  маятники 

    Кости, соединенные подвижно в суставах, представляют собой, с точки зрения механики, рычаги. Сустав представляет собой точку опоры рычага. Если силы приложены по обе стороны  от точки опоры рычага, то рычаг  называется двухплечным или рычагом I рода, если по одну сторону, то II рода.

Рычаг имеет следующие элементы: