Основные направления биомеханики

Реферат: Основные направления  биомеханики

 план

введение. 2

основные направления  биомеханики. 4

тестирование двигательных качеств. 15

заключение. 21

литература. 22

/>введение

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 задачейособой научной дисциплины — биомеханики.

основные направлениябиомеханики

Биомеханика- наука о законах механического движения в живых системах. Она изучает движенияс точки зрения законов механики, свойственных всем без исключения механическимдвижениям материальных тел. Специальных законов механики, особых для живыхсистем не существует.

Однакосложность движения и функций, живого организма требует тщательного учетаанатомо-физиологических особенностей. Иначе нельзя правильно использоватьзаконы механики в изучении сложных движений организмов. Нередко то, что выгоднос точки зрения законов механики, нецелесообразно, если учесть особенностистроения и функций живого организма.

Так, с точкизрения законов механики, для большей устойчивости тела выгодно придать егоцентру тяжести более низкое положение. Но горнолыжник не станет применять нанеровном склоне низкую стойку, т.к она затрудняет амортизирующую работу ужерастянутых мышц. Таким образом, законы механики хотя и занимают главное место вбиомеханике, но не могут использоваться без знания строения и функций организма.

Как  самостоятельная научная дисциплина биомеханика физических упражнений должна обогащать теорию физического воспитания, исследуя одну из сторон физических упражнений — технику. Вместе с тем, биомеханика физических упражнений непосредственно служит и практике физического воспитания. Сюда относится, например, следующее:

1) оценка физических упражнений с точки зрения их эффективности в решении определенных задач физического воспитания (ФВ);

2) изучение техники ФУ как предмета обучения с выявлением главного и ведущего в движениях, обеспечивающего высокий результат;

3) оценка качества выполнения ФУ, выявление ошибок, их причин, последствий и путей для устранения;

4) совершенствование спортивной техники с обобщением передового опыта и ее теоретическое обоснование;

5) изучение особенностей лучших образцов спортивной техники как общих для всех, так и тех, которые зависят от индивидуальных особенностей физического развития;

6) изучение функциональных показателей физического развития с целью уточнения путей повышения функциональных возможностей организма спортсмена.

Как учебный предмет биомеханика содержит главные положения учения о движениях, обобщенный и систематизированный опыт изучения общих объективных закономерностей. Овладение курсом биомеханики должно вооружить будущего педагога, тренера основами знаний о движениях человека, помочь им повысить теоретический уровень практической деятельности.

Предмет любой науки, в том числе и биомеханики, определяется специфическим объектом познания — кругом явлений и процессов, закономерностей, которые изучает та или иная наука. В этом объекте каждая из них имеет свою область изучения.

Иными словами, объект познания — это то, что конкретно изучает наука; область изучения в каких пределах, границах.

Объект познания биомеханики — двигательные действия человека как системы взаимносвязанных активных движений и положений его тела.

Биомеханика возникла и развивается как наука о движениях животных организмов, в частности человека.

У животных организмов движутся не только части тела — органы опоры и движения. Смещаютсявнутренние органы, жидкости в сосудах, воздух в дыхательной системе и т.п. Этимеханические процессы в биомеханике еще почти не исследованы. Поэтому объектомпознания в ней принято считать только движения тела.

В нормечеловек производит не просто движения, а всегда действия (Н.А. Бернштейн); ониведут к известной цели, имеют определенный смысл. Поэтому человек выполняет ихактивно, целенаправленно, управляя ими, причем все движения тесно взаимосвязаны- объединены в системы.

Следуетотметить, что двигательные действия человека существенно отличаются от движенийживотных. В первую очередь речь идет об осознанной целенаправленности движенийчеловека, о понимании их смысла, возможности контролировать их и планомерносовершенствовать. Поэтому сходство между движениями животных и человеказавершается на чисто биологическом уровне.

В действияхчеловека движения выполняются обычно не все время и не всегда во всех суставах.Части его тела иногда сохраняют свое относительное положение почти неизменным. Вактивном сохранении положения, как и в активных движениях, участвуют мышцы. Следовательно,человек совершает двигательные действия посредством активных движений исохраняя при необходимости взаимное расположение тел или иных звеньев тела.

Системыактивных движений, а также сохранение положений тела при двигательных действияхизучаются в настоящем курсе биомеханики.

Областьизучения биомеханики — механические и биологические причины возникновениядвижений, особенности их выполнения в различных условиях.

Движениячастей тела человека представляют собою перемещения в пространстве и времени,которые выполняются во многих суставах одновременно и последовательно. Движенияв суставах по своей форме и характеру очень разнообразны, они зависят отдействия множества приложенных сил. Все движения закономерно объединены вцелостные организованные действия, которыми человек управляет при помощи мышц. Учитываясложность движений человека, в биомеханике исследуют и механическую, ибиологическую их стороны, причем обязательно в тесной взаимосвязи.

Посколькучеловек выполняет всегда осмысленные действия, его интересует, как можнодостичь цели, насколько хорошо и легко это получается в данных условиях. Чтобырезультат был лучше и достичь его было легче, человек сознательно учитывает ииспользует условия, в которых надо действовать. Кроме того, учится болеесовершенно выполнять движения. Биомеханика человека учитывает эти егоспособности, чем существенно отличается от биомеханики животных. Таким образом,биомеханика человека изучает также, какой способ и какие условия выполнениядействий лучше и как овладеть ими.

Вбиомеханике область изучения определяется ее задачами. Общая задача охватываетвсю область знания в целом; частные задачи важны при изучении конкретныхвопросов движений.

Общая задачаизучения движений состоит в оценке эффективности приложения сил для достиженияпоставленной цели.

Всякоеизучение движений в конечном счете направлено на то, чтобы помочь лучшевыполнять их. Прежде, чем приступить к разработке лучших способов действий,необходимо оценить уже существующие. Отсюда вытекает общая задача биомеханики,сводящаяся к оценке эффективности способов выполнения изучаемого движения. Притаком подходе сопоставляют то, что есть в движениях с тем, что требуется.

Биомеханикаисследует, каким образом полученная механическая энергия движения и напряженияможет приобрести рабочее применение (А.А. Ухтомский). Рабочий эффект измеряетсятем, как используется затраченная энергия. Для этого определяют, какие силысовершают полезную работу, каковы они по происхождению, когда и где приложены. Тоже самое должно быть известно о силах, которые производят вредную работу,снижающую эффективность полезных сил. Такое изучение дает возможность сделатьвыводы о том, как повысить эффективность действия. Это общая задача. По ходу еерешения возникают многие частные задачи, не только предусматривающиенепосредственную оценку эффективности, но и вытекающие из общей задачи и ейподчиненные.

Частныезадачи биомеханики состоят в изучении и объяснении: а) самих движений человекав той или иной области его двигательной деятельности; б) движений физическихобъектов, перемещаемых человеком, в) результатов решения двигательной задачи; г)условий, в которых они осуществляются; д) развития движений человека (с учетомназванных сторон) в результате обучения и тренировки.

1. На основекинематики описывают движения (пространственную форму и характер движений),изучая динамику движений, влияние сил на их изменение, дают объяснение, находятпричины особенностей движения.

2. Таким жеобразом описывают и объясняют движения снарядов, зависящие от движений человека.

3. Необходимосопоставлять разные варианты исполнения, сложившиеся в практике, разную степеньсовершенства, зависящую от квалификации исполнения и др.

4. Движениячасто исполняются в переменных условиях, характер изменения последних такжевлияет на движения. Учитывая условия внешние (все факторы внешнего окружения) ивнутренние (уровень подготовленности, возрастные особенности и др.), с однойстороны выявляют, какие условия благоприятствуют эффективности, иначе говоря,какие нужно создавать условия. С другой стороны, определяют, как лучшеприспособиться к заданным условиям, как их использовать.

5. На основеописания и объяснения движений необходимо указать путь их совершенствования: нетолько изучать действительность, но и преобразовывать ее.

Содержаниенауки составляет совокупность накопленных знаний, складывающихся в определеннуюсистему — теорию науки, а также пути получения этих знаний — метод науки. Итеория и метод выражаются в понятиях и законах науки, характерных для нее,раскрывающих ее содержание.

В основесовременного понимания двигательных действий заложен системно-структурныйподход, который позволяет рассматривать тело человека как движущуюся систему, асами процессы движения — как развивающиеся системы движений.

Теориябиомеханики в настоящее время охватывает три большие проблемы.

Особенностистроения и свойства животных организмов оказывают существенное влияние назакономерности их движений. Исходя из этого, тело человека рассматривается какбиомеханическая система. С давних пор органы опоры и движения сравнивают срычагами. Ранее указывали лишь на то, что, изучая движения таких рычагов, надоучитывать анатомо-физиологические особенности тела человека. Следующим этапом впонимании природы движений было признание специфики биомеханических систем,отличных в принципе от твердых тел или систем твердых тел. Эта спецификазаставляет изучать такие свойства биомеханических систем, которых нет вискусственных конструкциях, машинах, создаваемых человеком. Поэтому в теориибиомеханики возникла проблема изучения строения и свойства биомеханическихсистем, а также их развития.

Для решенияобщей задачи биомеханики необходимо изучение специфических особенностей самихпроцессов

достиженияживого организма и условий, обеспечивающих эффективность приложения сил. Длядвижений животных характерно сочетание множества движений в суставах в единоецелое — систему движений. С этим связано возникновение в теории биомеханикипроблемы изучения эффективности двигательных действий, как систем движений, ихособенностей и развития.

Чрезвычайноважно изучение изменения движений в процессе овладения двигательными действиямикак системами движений (двигательными актами, приемами выполнения действий). Сэтим связана проблема изучения закономерностей формирования и совершенствованиядвижений.

Методбиомеханики — системный анализ и синтез движений на основе количественныххарактеристик, в частности кибернетическое моделирование движений.

Биомеханика,как наука экспериментальная, эмпирическая, опирается на опытное изучениедвижений. При помощи приборов регистрируются количественные характеристики,например траектории скорости, ускорения и др., позволяющие различать движения,сравнивать их между собой. Рассматривая характеристики, мысленно расчленяютсистему движений на составные части — устанавливают ее состав. В этомпроявляется системный анализ.

Системадвижений как целое — не просто сумма ее составляющих частей. Части системыобъединены многочисленными взаимосвязями, придающими ей новые, не содержащиесяв ее частях качества (системные свойства). Необходимо мысленно представлять этообъединение, устанавливать способ взаимосвязи частей в системе — ее структуру. Вэтом проявляется системный синтез.

Системныйанализ и системный синтез неразрывно связаны друг с другом, они взаимнодополняются в системно-структурном исследовании.

При изучениидвижений в процессе развития системного анализа и синтеза в последние годы всешире применяется метод кибернетического моделирования — построение управляемыхмоделей (электронных, математических, физических и др.) движений и моделей телачеловека.

Сприменением каждой новой методики, с накоплением фактических данных, сразвитием смежных областей знания (механики, анатомии, физиологии, кибернетики)менялись критерии оценки получаемых результатов, появлялись умозаключения,выводы, постепенно складывающиеся в новое понимание явлений и процессов. Теориябиомеханики как обобщение экспериментальных данных в свете определенных идейразвивалась по нескольким направлениям.

Механическоенаправление. Механический подход к изучению движений человека позволяетопределить количественную меру двигательных процессов, объяснить физическуюсущность механических явлений, раскрывает огромную сложность строения телачеловека и его движений с точки зрения физики.

Хронологическипервым было механическое направление в развитии биомеханики. Первую книгу побиомеханике «О движениях животных» (1679 г) написал ученик Галилея,итальянский врач и математик Джовани Борелли. Исследование действия ипротиводействия, определение центра тяжести тела человека, классификациялокомоторных движений по источнику сил проводились с позиций механики. Физиологибратья Вебер (1836 г) изучали ходьбу человека тоже с позиций механики,сравнивая движения шагания с качаниями маятников (их гипотезы в последующем вомногом не подтвердились).

Изучениюмеханических характеристик движений были посвящены исследования В. Брауне, О. Фишера,Г. Хохмута, А. Новака и др.

Применениезаконов механики в биомеханике совершенно необходимо, но оно недостаточно. Какбиомеханическая система тело человека существенно отличается от абсолютнотвердого тела или материальной точки, которые рассматриваются в классическоймеханике. Внутренние силы, которые при решении задач в механике твердого теластараются исключить, имеют определяющее значение для движений человека. Безразличиек источнику силы в механике сменяется крайним интересом к этому вопросу вбиомеханике.

Наряду смеханическими причинами особой сложности движений животных существуютнемеханические причины, которые играют еще большую роль. Именно эти причиныпредставители данного направления обычно не рассматривают. Чисто механическийподход создает почву для неоправданных упрощений, что часто приводит кнеправильным выводам. Кроме того, появляется опасность недооценки качественнойспецифики физики живого. Возникают механистические тенденции объяснениякачественно более высоких явлений простейшими механическими факторами.

Функционально-анатомическоенаправление. Функционально-анатомический подход характеризуется преимущественноописательным анализом движений в суставах, определением участия мышц присохранении положений тела и в его движениях.

Изучая формуи строение органов опоры, а также движения человека в тесной связи с их функцией,анатомы исследовали преимущественно двигательный аппарат. Аналитическоеизучение тела человека преобладало в работах О. Фишера, Р. Фикка, Г. Брауса, С.Моллье и других зарубежных анатомов.

Вместе с темрасширялось изучение функций двигательного аппарата как целого. Один изоснователей функциональной анатомии П.Ф. Лесгафт рассматривал все системы иорганы прежде всего во взаимодействии, как части единого целостного живогоорганизма. Высоко оценивая возможности формообразующего влияния функций, П.Ф. Лесгафтодним из первых начал разрабатывать научные основы физического образованиядетей и молодежи. Функционально-анатомическое направление развивалось ученикамиП.Ф. Лесгафта и продолжателями его учения А.А. Красуской, Е.А. Котиковой, Е.Г. Котельниковойи др. Большой вклад в учение о движениях внес М.Ф. Иваницкий, разрабатывавшийраздел курса анатомии — двигательный аппарат как целое (динамическая анатомия).Во многих странах наука о движениях — кинезиология — представляет собою внастоящее время своеобразное сочетание механического ифункционально-анатомического направлений. Для анатомического направления вцелом характерен описательный подход — преимущественно качественныехарактеристики при незначительном применении количественной меры. Однако сейчасшироко применяются регистрация электрической активности мышц (электромиография),дающая ценный вклад в определение времени и степени участия мышц в движениях,согласования активности отдельных и групп мышц.

Новоенаправление в функциональной анатомии — спортивная морфология (А.А. Гладышева)- способствует познанию специфических особенностей опорно-двигательногоаппарата человека в связи с занятиями спортом. Конкретизация знаний оморфологических основах биомеханических систем обеспечивает более глубокое иправильное определение физической и технической подготовки в физическомвоспитании, в частности в спорте.

Физиологическоенаправление. Физиологическое направление в биомеханике утвердило представлениео рефлекторной природе движений, кольцевом характере управления движениями и обобусловленной этим чрезвычайной сложности движений человека.

На развитиебиомеханики оказали существенное влияние физиология нервно-мышечного аппарата,учение о высшей нервной деятельности и нейрофизиология. Признание рефлекторнойприроды двигательных действий и механизмов нервной регуляции при взаимодействииорганизма и среды в работах И.М. Сеченова, И.П. Павлова, Н.Е. Введенского, А.А.Ухтомского, П.К. Анохина, Н.А. Бернштейна и других ученых составляетфизиологическую основу изучения движений чело­века. Результаты многочисленных,проведенных за последние десятилетия во многих странах мира исследованиймеханизмов центральной нервной системы и нервно-мышечного аппарата позволяютнаиболее полно представить высокую сложность управления движениями.

ИсследованияН.А. Бернштейна, ставшие уже классическими, дали результаты, которые привелиего в свое время к новой системе взглядов на движения и управление ими. Развиваяидеи И.М. Сеченова о рефлекторной природе управления движениями путем использованиячувствительных сигналов, Н.А. Бернштейн выдвинул положение о кольцевомхарактере процессов управления. Его гипотеза об уровневом построении движенийсыграла важную роль в дальнейшей разработке физиологического направления вбиомеханике. Глубокое изучение действительных явлений в самомопорно-двигательном аппарате вызвало особое внимание к управлению движениями. Выявленныеособенности управления движениями показали, насколько были неверны прежниеупрощенные объяснения механизма движений.

Системно-структурныйподход. Системно-структурный подход в биомеханике характеризуется изучениемсостава и структуры систем как в двигательном аппарате, так и в его функциях. Этотподход в известной мере объединяет механическое, функционально-анатомическое ифизио­логическое направления в развитии теории биомеханики.

Посовременным представлениям, опорно-двигательный аппарат рассматривается каксложная биомеханическая система; движения человека также изучаются как сложнаяцелостная система.

Понятие осистеме, в которой множество элементов (ее состав) закономерно объединеновзаимными связями, взаимозависимостью (ее структура), характерно длясовременного научного представления о мире. Системно-структурный подход требуетизучения системы как единого целого, потому что ее свойства не сводятся ксвойствам отдельных элементов. Важно изучать не только состав, но и структурусистемы, рассматривать во взаимосвязи строение и функцию.

Идеи осистемности внес в изучение двигательной деятельности также Н.А. Бернштейн. Кибернетический,по сути дела, подход к движениям был им осуществлен более чем за 10 лет дооформления кибернетики как самостоятельной науки.

Современныйсистемно-структурный подход не только не отрицает значения в биомеханике всехнаправлений, а как бы объединяет их; при этом каждое направление сохраняет вбиомеханике свое значение.

/>тестированиедвигательных качеств

Описаниеметодов тестирования, применяемых для биомеханического контроля в физическомвоспитании и спорте, начнем с тестов, позволяющих оценить уровень развитиядвигательных качеств. На этой основе учитель физкультуры или тренер можетвыбирать из числа известных или самостоятельно создавать тесты, необходимые емув практической работе.

Биомеханическиетесты выносливости позволяют установить, какой объем работы человек можетвыполнить и как долго может работать без снижения эффективности двигательнойдеятельности. Например, при беге с постоянной скоростью наступает момент, когдачеловек не может поддержать исходную длину шага (компенсированное утомление), аспустя еще некоторое время он вынужден снизить скорость (декомпенсированноеутомление) (рис.1). Чем выносливее человек, тем дольше не наступает утомление.

Вместоскорости можно программировать длину дистанции и измерять минимальное время, закоторое человек справляется с заданием. Этот тест аналогичен соревновательномуупражнению в циклических видах спорта.

Есть итретий вариант теста, когда ограничивается продолжительность упражнения иизмеряется преодоленное расстояние. Известно несколько разновидностей этоготеста: 60-минутный беговой тест, 7-минутный тест для гребцов, разные вариантытеста Купера (беговой, плавательный и т.п.).

Согласноправилу обратимости двигательных заданий все три разновидности теста навыносливость эквивалентны (табл.1), т.е. при тестировании группы людей наиболеевыносливые в одном из этих трех тестов будут наиболее выносливыми и в двухдругих.

Примечание. Длятестирования выносливости используют не только циклические локомоции, но идругие физические упражнения, поэтому скорость передвижения — частный случайинтенсивности мышечной работы, а преодоленное расстояние — частный случайобъема выполненной работы.

/>

Рис 1. Измерениескорости, длины шаг и частоты шагов (темпа) у человека, выполняющего тест навыносливость: 1. Компенсированное утомление. 2. Декомпенсированное утомление.

Тестированиесиловых качеств осуществляется либо в упражнениях статического характера, либов таких общеразвивающих упражнениях, где выполняется локальная или регионарнаямышечная работа. В первом случае мерой силовых возможностей служит величинапроявляемой силы (Fo) и продолжительность ее удержания. Во втором случаеопределяется, сколько раз подряд человек может сжать или растянуть пружинудинамометра, подтянуться, отжаться и т.п. Конкретных упражнений, в которыхоцениваются силовые качества, очень много. Это неудивительно, ведь двигательныйаппарат человека включает в себя около 600 мышц, которые по-разномувзаимодействуют в различных упражнениях.

Таблица 1

Проявляемая человеком сила зависит от позы, от углов в суставах. Влияние суставного угла на проявляемую силу иллюстрирует рис.28. Изображенный на нем график показывает, что, например, оптимальный угол в локтевом суставе близок к 80°. В этом случае угол между направлением тяги двуглавой мышцы плеча и костями предплечья близок к 90°.

Вообще говоря, измерение силы можно проводить при любой величине суставного угла. Важно лишь, чтобы он всегда был одним и тем же.

/>

Рис 2. Сила тяги мышцы, необходимая для удержания груза в зависимости от величины суставного угла.

/>

Рис 3. Шкаладля оценивания силовой подготовленности по результатам сгибания и разгибаниярук в упоре лежа у людей разного возраста (слева – свыше 30 лет, справа – до 30лет).

Таблица 2

/>

Общепринятымтестом силовых качеств является подтягивание на перекладине. Но далеко некаждый может подтянуться на высокой перекладине. Поэтому полезен тест, вкотором человек выполняет возможно большее число подтягиваний на низкойперекладине (см. рис.4), и соответствующие педагогические шкалы (табл.2). С тойже целью можно использовать «отжимания» (рис.3) и другие общедоступныеупражнения

Тестированиескоростно-силовых качеств осуществляется в упражнениях, позволяющихпродемонстрировать и силу, и быстроту. Для этого издавна использовали прыжки ввысоту и в длину с места.

Для болееглубокого анализа скоростно-силовых качеств регистрируют динамограмму(Динамограммой (от греческого dynamis — сила) называется график измененияпроявляемой силы во времени) прыжка или другого «взрывного» упражнения ивычисляют градиент силы (т.е. отношение приращения силы к интервалу времени, закоторое это приращение произошло).

Градиентсилы неодинаков на разных участках динамограммы. Обычно в начале движения онбольше, чем в конце. Поэтому вычисляют скоростно-силовой индекс — частное отделения разности между максимальным и минимальным значениями проявляемой силына величину временного интервала, за который это изменение произошло. Чем вышескоростно-силовая подготовленность, тем больше скоростно-силовой индекс, таккак большая сила достигается за меньшее время.

Привыполнении многих физических упражнений приходится преодолевать силу тяжестисвоего тела. В этих случаях наиболее информативный показатель скоростно-силовыхкачеств — не скоростно-силовой индекс, а коэффициент реактивности. Коэффициентреактивности равен скоростно-силовому индексу, деленному на вес тела.

Тестированиегибкости чаще всего связано с измерением углов между звеньями тела (рис.4). Делаетсяэто гониометрами (угломерами). Существуют и другие методы контроля за гибкостью(рис.5).