Биомеханика упражнений, тренировок, двигательный действий

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.

1 . Предмет, задачи, содержание биомеханики

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, воспри-ятие и анализ внешнего и внутреннего мира - все это различ-ные формы движения материи.

Основным условием жизни вообще является взаимодей-ствие живого организма с окружающей средой. В этом взаи-модействии существенную роль играет двигательная деятель-ность. Только передвигаясь, животное может находить себе пишу, защищать свою жизнь, производить потомство и обес-печивать его существование. Только при помощи разнообраз-ных и сложных движений человек совершает трудовую дея-тельность, общается с другими людьми, говорит, пишет и пр. Определенным образом организованная двигательная дея-тельность является основой физического воспитания и основ-ным содержанием спорта.

Наиболее элементарной формой движения материи явля-ется механическое движение, т.е. перемещение тела в про-странстве. Закономерности механического движения изуча-ются 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 осуще-ствления того или иного механического движения, механика является важной теоретической основой техники, в особенно-сти техники построения разнообразных механизмов. Меха-ническая точка зрения может быть использована и при изу-чении механических движений человека.

Двигательная деятельность человека практически осуще-ствляется при участии всех органов тела. Однако непосред-ственным исполнителем функции движения является двига-тельный аппарат, состоящий из костей, скелета, связок и мышц с их иннервацией и кровеносными сосудами. С механической точки зрения, двигательный аппарат совмещает в себе ра-бочую 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.

Биомеханика - наука о законах механического движе-ния в живых системах. Она изучает движения с точки зре-ния законов механики, свойственных всем без исключения механическим движениям материальных тел. Специальных законов механики, особых для живых систем не существует.

Однако сложность движения и функций, живого организма требует тщательного учета анатомо-физиологических особенно-стей. Иначе нельзя правильно использовать законы механики в изучении сложных движений организмов. Нередко то, что вы-годно с точки зрения законов механики, нецелесообразно, если учесть особенности строения и функций живого организма.

Так, с точки зрения законов механики, для большей устой-чивости тела выгодно придать его центру тяжести более низкое положение. Но горнолыжник не станет применять на неровном склоне низкую стойку, т.к. она затрудняет амортизирующую работу уже растянутых мышц. Таким образом, законы механи-ки хотя и занимают главное место в биомеханике, но не могут использоваться без знания строения и функций организма.

Как самостоятельная научная дисциплина биомеханика физических упражнений должна обогащать теорию физиче-ского воспитания, исследуя одну из сторон физических уп-ражнений - технику. Вместе с тем, биомеханика физических упражнений непосредственно служит и практике физическо-го воспитания. Сюда относится, например, следующее:

1) оценка физических упражнений с точки зрения их эф-фективности в решении определенных задач физического вос-питания (ФВ) ;

2) изучение техники ФУ как предмета обучения с выявле-нием 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 функциональ-ных возможностей организма спортсмена.

Как учебный предмет биомеханика содержит главные поло-жения учения о движениях, обобщенный и систематизированный опыт изучения общих объективных закономерностей. Овладение курсом биомеханики должно вооружить будущего педагога, тре-нера основами знаний о движениях человека, помочь им повы-сить теоретический уровень практической деятельности.

Предмет любой науки, в том числе и биомеханики, опре-деляется специфическим объектом познания - кругом яв-лений и процессов, закономерностей, которые изучает та или иная наука. В этом объекте каждая из них имеет свою об-ласть изучения.

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

Объект познания биомеханики - двигательные дей-ствия человека как системы взаимно связанных актив-ных движений и положений его тела .

Биомеханика возникла и развивается как наука о движе-ниях животных организмов, в частности человека.

У животных организмов движутся не только части тела -органы опоры и движения. Смещаются внутренние органы, жидкости в сосудах, воздух в дыхательной системе и т.п. Эти механические процессы в биомеханике еще почти не исследо-ваны. Поэтому объектом познания в ней принято считать только движения тела.

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

Следует отметить, что двигательные действия человека существенно отличаются от движений животных. В первую очередь речь идет об осознанной целенаправленности движе-ний человека, о понимании их смысла, возможности контро-лировать их и планомерно совершенствовать. Поэтому сход-ство между движениями животных и человека завершается на чисто биологическом уровне.

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

Системы активных движений, а также сохранение поло-жений тела при двигательных действиях изучаются в настоя-щем курсе биомеханики.

Область изучения биомеханики - механические и био-логические причины возникновения движений, особеннос-ти их выполнения в различных условиях.

Движения частей тела человека представляют собою пе-ремещения в пространстве и времени, которые выполняются во многих суставах одновременно и последовательно. Движе-ния в суставах по своей форме и характеру очень разнообраз-ны, они зависят от действия множества приложенных сил. Все движения закономерно объединены в целостные органи-зованные действия, которыми человек управляет при помо-щи мышц. Учитывая сложность движений человека, в биоме-ханике исследуют и механическую, и биологическую их сто-роны, причем обязательно в тесной взаимосвязи.

Поскольку человек выполняет всегда осмысленные дей-ствия, его интересует, как можно достичь цели, насколько хо-рошо и легко это получается в данных условиях. Чтобы ре-зультат был лучше и достичь его было легче, человек созна-тельно учитывает и использует условия, в которых надо действовать. Кроме того, учится более совершенно выполнять движения. Биомеханика человека учитывает эти его способ-ности, чем существенно отличается от биомеханики животных. Таким образом, биомеханика человека изучает также, какой способ и какие условия выполнения действий лучше и как овладеть ими.

В биомеханике область изучения определяется ее задача-ми. Общая задача охватывает всю область знания в целом; частные задачи важны при изучении конкретных вопросов движений.

Общая задача изучения движений состоит в оценке эффективности приложения сил для достижения постав-ленной цели.

Всякое изучение движений в конечном счете направлено на то, чтобы помочь лучше выполнять их. Прежде, чем при-ступить к разработке лучших способов действий, необходимо оценить уже существующие. Отсюда вытекает общая задача биомеханики, сводящаяся к оценке эффективности способов выполнения изучаемого движения. При таком подходе сопо-ставляют то, что есть в движениях с тем, что требуется.

Биомеханика исследует, каким образом полученная ме-ханическая энергия движения и напряжения может приобре-сти рабочее применение (А.А.Ухтомский). 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. Это общая задача. По ходу ее решения возникают многие частные задачи, не только пре-дусматривающие непосредственную оценку эффективности, но и вытекающие из общей задачи и ей подчиненные.

Частные задачи биомеханики состоят в изучении и объяснении: а) самих движений человека в той или иной об-ласти его двигательной деятельности; б) движений физиче-ских объектов, перемещаемых человеком, в) результатов ре-шения двигательной задачи; г) условий, в которых они осу-ществляются; д) развития движений человека (с учетом названных сторон) в результате обучения и тренировки.

1. На основе кинематики описывают движения (простран-ственную форму и характер движений), изучая динамику дви-жений, влияние сил на их изменение, дают объяснение, нахо-дят причины особенностей движения.

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

3. Необходимо сопоставлять разные варианты исполне-ния, сложившиеся в практике, разную степень совершенства, зависящую от квалификации исполнения и др.

4. Движения часто исполняются в переменных условиях, характер изменения последних также влияет на движения. Учитывая условия внешние (все факторы внешнего окруже-ния) и внутренние (уровень подготовленности, возрастные осо-бенности и др.) , с одной стороны выявляют, какие условия благоприятствуют эффективности, иначе говоря, какие нужно создавать условия. С другой стороны, определяют, как лучше приспособиться к заданным условиям, как их использовать.

5. На основе описания и объяснения движений необходи-мо указать путь их совершенствования: не только изучать действительность, но и преобразовывать ее.

В основе современного понимания двигательных дей-ствий заложен системно-структурный подход, который позволяет рассматривать тело человека как движущую-ся систему, а сами процессы движения - как развивающие-ся системы движений.

Теория биомеханики в настоящее время охватывает три большие проблемы.

Особенности строения и свойства животных организмов оказывают существенное влияние на закономерности их дви-жений. Исходя из этого, тело человека рассматривается как биомеханическая система. С давних пор органы опоры и дви-жения сравнивают с рычагами. Ранее указывали лишь на то, что, изучая движения таких рычагов, надо учитывать анатомо-физиологические особенности тела человека. Следующим этапом в понимании природы движений было признание спе-цифики биомеханических систем, отличных в принципе от твердых тел или систем твердых тел. Эта специфика застав-ляет изучать такие свойства биомеханических систем, кото-рых нет в искусственных конструкциях, машинах, создавае-мых человеком. Поэтому в теории биомеханики возникла про-блема изучения строения и свойства биомеханических систем, а также их развития.

Для решения общей задачи биомеханики необходимо изучение специфических особенностей самих процессов

достижения живого организма и условий, обеспечивающих эф-фективность приложения сил. Для движений животных харак-терно сочетание множества движений в суставах в единое целое -систему движений. С этим связано возникновение в теории био-механики проблемы изучения эффективности двигательных дей-ствий, как систем движений, их особенностей и развития.

Чрезвычайно важно изучение изменения движений в про-цессе овладения двигательными действиями как системами движений (двигательными актами, приемами выполнения дей-ствий) . С этим связана проблема изучения закономерностей формирования и совершенствования движений.

Метод биомеханики - системный анализ и синтез дви-жений на основе количественных характеристик, в час-тности кибернетическое моделирование движений.

Биомеханика, как наука экспериментальная, эмпириче-ская, опирается на опытное изучение движений. При помощи приборов регистрируются количественные характеристики, например траектории скорости, ускорения и др., позволяю-щие различать движения, сравнивать их между собой. Рас-сматривая характеристики, мысленно расчленяют систему движений на составные части - устанавливают ее состав. В этом проявляется системный анализ.

Система движений как целое - не просто сумма ее состав-ляющих частей. Части системы объединены многочисленны-ми взаимосвязями, придающими ей новые, не содержащиеся в ее частях качества (системные свойства) . Необходимо мыс-ленно представлять это объединение, устанавливать способ взаимосвязи частей в системе - ее структуру. В этом прояв-ляется системный синтез.

Системный анализ и системный синтез неразрывно свя-заны друг с другом, они взаимно дополняются в системно-струк-турном исследовании.

При изучении движений в процессе развития системного анализа и синтеза в последние годы все шире применяется метод кибернетического моделирования - построение управ-ляемых моделей (электронных, математических, физических и др.) движений и моделей тела человека.

2 . Развитие биомеханики как науки

К предпосылкам возникновения биомеханики как само-стоятельной науки относится накопление знаний в областифизических и биологических наук, а также развитие техники, что позволяет разрабатывать различные методики изучения движений и по-новому понимать их построение.

В Древней Греции во времена Аристотеля (384-322 г. до н.э.) физикой называли вообще все первоначальные зна-ния о природе. Аристотель первый ввел термин "механика", описал рычаг и другие простейшие машины, пытался путем рассуждении найти причины движений. Некоторые его пред-ставления (например, о зависимости скорости падения в пус-тоте только от веса тел, о необходимости постоянной силы для поддержания постоянной скорости) , не подтвержденные опытом, были впоследствии опровергнуты. Намного долговеч-нее оказались работы Архимеда (287-212 г. до н.э.) , кото-рый заложил основы статики и гидродинамики как точных наук. Они сохранили свое значение до нашего времени.

Развитию механики после долгого застоя наук в средние века способствовали исследования Леонардо да Винчи (1452-1519 г.) по теории механизмов, трению и другим вопросам. Примечательно, что этот великий художник, математик, меха-ник и инженер впервые высказал важнейшую для будущей биомеханики мысль: "Наука механика потому столь благо-родна и полезна более всех прочих наук, что, как оказывается, все живые тела, имеющие способность к движению, действуют по ее законам".

Общеизвестно, что важнейший раздел механики - динами-ка - был создан трудами гениальных ученых Галилео Галилея (1564-1642 г.) и Исаака Ньютона (1643-1727 г.) . Основные законы классической механики описывают движение матери-альной точки и абстрактного абсолютно твердого тела.

Из классической механики выделились и развиваются как самостоятельные науки гидро- и аэромеханика, изучающие механику деформируемого тела. Для решения задач биомеха-ники, связанных с деформациями, большой интерес представ-ляют сопротивление материалов и, особенно, реология (теория упругости, пластичности и ползучести) .

Из кинематики, сложившейся как отдельный раздел ме-ханики лишь в начале XIX в., выделилась также важная для биомеханики область науки - теория механизмов и машин.

Познания людей о строении тела начали накапливаться с древнейших времен. К концу XVIII в. анатомия уже была сложившейся областью научного знания. От нее стали отде-ляться другие отрасли биологических наук, в частности физиология. Началом создания физиологии по праву считают рабо-ты в области кровообращения Вильяма Гарвея (1578-1657 г.), формирование понятия о рефлексе Рене Декарта (1596-1650 г.) и исследования Джовани Борелли (1608-1679 г.) по механи-ке движений живых организмов. Исследования Д. Борелли по-ложили начало развитию биомеханики как отрасли науки.

При изучении строения и формы тела, а также их разви-тия, естественно, возникали вопросы об отправлении, функции органов и тканей. По мере углубления анатомических знаний все более развивался функциональный подход к изучению морфологии человека. Он проявился особенно отчетливо в разработке функциональной анатомии органов движения, ока-завшей большое влияние на становление биомеханики.

Расцвет физиологии и медицины в XIX в. был тесно свя-зан с развитием идеи нервизма - направления научной мыс-ли, признающего ведущую роль нервной системы в управле-нии жизнедеятельностью высших организмов. Принцип не-рвизма был одним из главных, когда закладывались основы теории биомеханики.

Начало развитию биомеханики физических упражнений положил П.Ф.Лесгафт, разрабатывавший курс теории теле-сных движений. Он начал читать его в 1877 г. на курсах по физическому воспитанию. Этот курс продолжали читать и совершенствовать его ученики. В институте физического об-разования им. П.Ф. Лесгафта, созданном после Октябрьской революции, этот курс входил в предмет "Физическое образова-ние", а в 1927 г. был выделен в самостоятельный - под назва-нием "Теория движений", в 1931 г. переименован в курс "Био-механика физических упражнений".

С 30-х г. в институтах физической культуры в Москве (Н.А.Бернштейн), Ленинграде (Е.А.Котикова, Ё.Г.Котельникова), Тбилиси (Л.В.Чхаидзе), Харькове (Д.Д.Донской) и др. развер-нулась научная и учебная работа по биомеханике спорта.

С 1958 г. биомеханика включена в учебный план всех институтов физической культуры, после чего начали созда-ваться кафедры биомеханики. На кафедрах спортивных дис-циплин институтов физической культуры широко ведутся биомеханические исследования спортивной техники. Биоме-ханические методы успешно применяются научными работ-никами, тренерами для исследования качества техники и кон-троля над ее совершенствованием.

В ряде зарубежных стран преподавание этой учебной дис-циплины для специалистов физического воспитания ведется под названием "Кинезиология", "Анализ движений" и др. В составе научного комитета по физическому воспитанию и спорту при ЮНЕСКО создана рабочая группа по биомехани-ке. Проводятся международные совещания и симпозиумы по биомеханике.

Биомеханика физических упражнений способствует тео-ретическому обоснованию ряда вопросов физического воспи-тания. Биомеханика спорта составляет одну из основ теории спортивной техники. Она помогает обоснованию наиболее ра-циональной техники, путей овладения ею и технического со-вершенствования спортсменов.

С применением каждой новой методики, с накоплением фактических данных, с развитием смежных областей знания (механики, анатомии, физиологии, кибернетики) менялись кри-терии оценки получаемых результатов, появлялись умозак-лючения, выводы, постепенно складывающиеся в новое пони-мание явлений и процессов. Теория биомеханики как обоб-щение экспериментальных данных в свете определенных идей развивалась по нескольким направлениям.

Механическое направление . Механический подход к изу-чению движений человека позволяет определить количествен-ную меру двигательных процессов, объяснить физическую сущ-ность механических явлений, раскрывает огромную сложность строения тела человека и его движений с точки зрения физики.

Хронологически первым было механическое направле-ние в развитии биомеханики. Первую книгу по биомеханике "О движениях животных" (1679 г.) написал ученик Галилея, итальянский врач и математик Джовани Борелли. Исследо-вание действия и противодействия, определение центра тяже-сти тела человека, классификация локомоторных движений по источнику сил проводились с позиций механики. Физиоло-ги братья Вебер (1836 г.) изучали ходьбу человека тоже с позиций механики, сравнивая движения шагания с качания-ми маятников (их гипотезы в последующем во многом не подтвердились).

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

Применение законов механики в биомеханике совершен-но необходимо, но оно недостаточно. Как биомеханическая система тело человека существенно отличается от абсолютно твердого тела или материальной точки, которые рассматриваются в классической механике. Внутренние силы, которые при решении задач в механике твердого тела стараются ис-ключить, имеют определяющее значение для движений чело-века. Безразличие к источнику силы в механике сменяется крайним интересом к этому вопросу в биомеханике.

Наряду с механическими причинами особой сложности движений животных существуют немеханические причины, которые играют еще большую роль. Именно эти причины представители данного направления обычно не рассматрива-ют. Чисто механический подход создает почву для неоправ-данных упрощений, что часто приводит к неправильным вы-водам. Кроме того, появляется опасность недооценки каче-ственной специфики физики живого. Возникают механистические тенденции объяснения качественно более высоких явлений простейшими механическими факторами.

Функционально-анатомическое направление. Функци-онально-анатомический подход характеризуется преимуще-ственно описательным анализом движений в суставах, оп-ределением участия мышц при сохранении положений тела и в его движениях.

Изучая форму и строение органов опоры, а также движе-ния человека в тесной связи с их функцией, анатомы исследо-вали преимущественно двигательный аппарат. Аналитиче-ское изучение тела человека преобладало в работах О.Фишера, Р. Фикка, Г. Брауса, С. Моллье и других зарубежных анатомов.

Вместе с тем расширялось изучение функций двигатель-ного аппарата как целого. Один из основателей функциональ-ной анатомии П.Ф.Лесгафт рассматривал все системы и орга-ны прежде всего во взаимодействии, как части единого целос-тного живого организма. Высоко оценивая возможности формообразующего влияния функций, П.Ф.Лесгафт одним из первых начал разрабатывать научные основы физического образования детей и молодежи. Функционально-анатоми-ческое направление развивалось учениками П.Ф.Лесгафта и продолжателями его учения А.А.Красуской, Е.А.Котико-вой, Е.Г.Котельниковой и др. Большой вклад в учение о движениях внес М.Ф.Иваницкий, разрабатывавший раздел курса анатомии - двигательный аппарат как целое (дина-мическая анатомия) . Во многих странах наука о движени-ях - кинезиология - представляет собою в настоящее вре-мя своеобразное сочетание механического и функциональ-но-анатомического направлений. Для анатомического направления в целом характерен описательный подход - преимущественно качественные ха-рактеристики при незначительном применении количествен-ной меры. Однако сейчас широко применяются регистрация электрической активности мышц (электромиография) , даю-щая ценный вклад в определение времени и степени участия мышц в движениях, согласования активности отдельных и групп мышц.

Новое направление в функциональной анатомии - спортив-ная морфология (А.А.Гладышева) - способствует познанию специфических особенностей опорно-двигательного аппарата человека в связи с занятиями спортом. Конкретизация зна-ний о морфологических основах биомеханических систем обеспечивает более глубокое и правильное определение физи-ческой и технической подготовки в физическом воспитании, в частности в спорте.

Физиологическое направление. Физиологическое направ-ление в биомеханике утвердило представление о рефлектор-ной природе движений, кольцевом характере управления дви-жениями и об обусловленной этим чрезвычайной сложности движений человека.

На развитие биомеханики оказали существенное влияние физиология нервно-мышечного аппарата, учение о высшей нервной деятельности и нейрофизиология. Признание реф-лекторной природы двигательных действий и механизмов не-рвной регуляции при взаимодействии организма и среды в работах И.М.Сеченова, И.П.Павлова, Н.Е.Введенского, А.А.Ух-томского, П.К.Анохина, Н.А.Бернштейна и других ученых со-ставляет физиологическую основу изучения движений чело-века. Результаты многочисленных, проведенных за последние десятилетия во многих странах мира исследований механиз-мов центральной нервной системы и нервно-мышечного ап-парата позволяют наиболее полно представить высокую слож-ность управления движениями.

Исследования Н.А.Бернштейна, ставшие уже классиче-скими, дали результаты, которые привели его в свое время к новой системе взглядов на движения и управление ими. Раз-вивая идеи И.М.Сеченова о рефлекторной природе управле-ния движениями путем использования чувствительных сиг-налов, Н.А.Бернштейн выдвинул положение о кольцевом ха-рактере процессов управления. Его гипотеза об уровневом построении движений сыграла важную роль в дальнейшей разработке физиологического направления в биомеханике. Глубокое изучение действительных явлений в самом опорно-двигательном аппарате вызвало особое внимание к управле-нию движениями. Выявленные особенности управления дви-жениями показали, насколько были неверны прежние упро-щенные объяснения механизма движений.

Системно-структурный подход. Системно-структур-ный подход в биомеханике характеризуется изучением со-става и структуры систем как в двигательном аппарате, так и в его функциях. Этот подход в известной мере объеди-няет механическое, функционально-анатомическое и физио-логическое направления в развитии теории биомеханики.

По современным представлениям, опорно-двигательный аппарат рассматривается как сложная биомеханическая сис-тема; движения человека также изучаются как сложная це-лостная система.

Понятие о системе, в которой множество элементов (ее состав) закономерно объединено взаимными связями, взаимо-зависимостью (ее структура), характерно для современного научного представления о мире. Системно-структурный под-ход требует изучения системы как единого целого, потому что ее свойства не сводятся к свойствам отдельных элементов. Важно изучать не только состав, но и структуру системы, рас-сматривать во взаимосвязи строение и функцию.

Идеи о системности внес в изучение двигательной деятельно-сти также Н.А.Бернштейн. Кибернетический, по сути дела, под-ход к движениям был им осуществлен более чем за 10 лет до оформления кибернетики как самостоятельной науки.

Современный системно-структурный подход не только не отрицает значения в биомеханике всех направлений, а как бы объединяет их; при этом каждое направление сохраняет в биомеханике свое значение.

Контрольные вопросы

1. Что изучает биомеханика?

2. Каковы задачи биомеханики?

3. Раскройте понятия "теория" и "метод" биомеханики спорта.

4. Каковы основные направления в развитии биомеханики?

5. Расскажите о создании биомеханики физических уп-ражнений и о современном развитии биомеханики спорта.

6. Каково практическое значение биомеханики спорта?

Начало развитию биомеханики физических упражнений положил Л. Ф. Лесгафт, разрабатывавший курс теории телесных движений. Он начал читать его в 1877 г. на курсах по физическому воспитанию. Этот курс продолжали читать и совершенствовать его ученики. В ин­ституте физического образования им. П. Ф. Лесгафта, созданном после Октябрьской революции, этот курс входил в предмет «Физическое образование», а в 1927 г. был выделен в самостоятельный - под назва­нием «Теория движений» и в 1931 г. переименован в курс «Биомеха­ника физических упражнений».

С 30-х гг. в институтах физической культуры в Москве (Н. А. Бернштейн), Ленинграде (Е. А. Котикова, Е. Г. Котельникова), Тбилиси (Л. В. Чхаидзе), Харькове (Д. Д. Донской) и др. развернулась науч­ная и учебная работа по биомеханике спорта. С 1958 г. биомеханика включена в учебный план всех институтов физической культуры Советского Союза, после чего начали создаваться кафедры биомеханики. На кафедрах спортивных дисциплин институтов физической культуры широко ведутся биомеханические исследования спортивной техники. Биомеханические методы успешно применяются научными работниками, тренерами для исследования качества техники и контроля над ее совершенствованием.

Преподавание биомеханики в высших физкультурных учебных заведениях и научные исследования осуществляются в ГДР, Польше, Югославии, Румынии, Чехословакии, Болгарии, Венгрии и других странах. В ряде зарубежных стран преподавание этой учебной дисцип­лины для специалистов физического воспитания ведется под названием «Кинезиология», «Анализ движений» и др. В составе научного коми­тета по физическому воспитанию и спорту при ЮНЕСКО создана рабо­чая группа по биомеханике. Проводятся международные совещания и симпозиумы по биомеханике.

Биомеханика физических упражнений способствует теоретическому обоснованию ряда вопросов физического воспитания. Биомеханика спорта составляет одну из основ теории спортивной техники. Она помогает обоснованию наиболее рациональной техники, путей овла­дения ею и технического совершенствования спортсменов.

Тема 3. ТОПОГРАФИЯ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА

1.Общие данные о теле человека 2.Оси и плоскости 3.Краткие данные о центре тяжести тела человека 4.Организм, орган, система органов, ткани 5.Клетки и ткани организма. Строение и функция тканей 6.Спинной мозг. Позвоночник 7.Механизм движений туловища и головы 8.Движения позвоночного столба и головы 9.Механизм движений верхней конечности 10.Некоторые данные о конституции человека 11.Нервная регуляция позы и движений 12.Функциональный анализ положения человека в позе стоя.

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 сегментарности1 (метамерии) и т. п.

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

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

При этом выделяют области головы, шеи, туловища и двух пар верхних и нижних конечностей.

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.

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

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.

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 » - internus и «наружный» - externus, которые употребляются только по отношению к стенкам полостей. Слова «брюшной» - ventralis, «спинной» - dorsalis, «правый» - dexter, «левый» - sinister, «по­верхностный» - superficialis, «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.

Движения тела подразделяются на простые и сложные. Простые – это движения, происходящие в соединениях между отдельными костями. Сложные – это движения, в которых участвует весь двигательный аппарат.

Анатомический разбор того или иного положения тела производят обычно в таком порядке.

Вначале дают краткое описание изучаемого положения или движения. Если движение сложное, то его подразделяют на отдельные фазы, останавливаясь на тех моментах этого движения, которые для него наиболее характерны.

Для объяснения движения или положения с точки зрения механики используют её законы. Объяснение движений с точки зрения основных механических взаимоотношений значительно облегчает понимание функции двигательного аппарата при выполнении изучаемого движения.

Основным разделом анатомической характеристики того или иного положения или движения тела является описание работы двигательного аппарата, в частности суставов и мышц.

Самостоятельным разделом анатомической характеристики каждого упражнения является рассмотрение механизма дыхания при выполнении этого упражнения, положения или движения тела.

В анатомическую характеристику физического упражнения входит определение тех изменений, которые происходят в организме при выполнении этого упражнения, особенно, если оно выполняется систематически, как это наблюдается у спортсменов, постоянно занимающихся одним и тем же видом спорта.

Анатомический разбор того или иного физического упражнения позволяет в известной мере дать общую оценку изучаемому физическому упражнению и указать на те случаи, когда следует его применять или, наоборот, когда оно противопоказано.

2 Предмет и задачи биомеханики. История биомеханики. Становление теории биомеханики?

1.1. Предмет биомеханики

Предмет науки – совокупность объектов или процессов, которые изучает данная наука.

Биомеханика двигательных действий изучает свойства и функции опорно-двигательного аппарата и двигательные действия человека с позиции классической механики (на основе понятий, принципов и законов классической механики).

Биомеханика – смежная наука. Она возникла на «стыке» двух наук: биологии – науки о жизни и механики – науки о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между телами.

1.2. Цели и задачи биомеханики двигательных действий

Цель биомеханики двигательных действий состоит с одной стороны, в повышении эффективности двигательных действий человека, а с другой – в предупреждении травм при выполнении двигательных действий и уменьшении их последствий.

Краткая история развития биомеханики и современное состояние биомеханики

Биомеханика – одна из самых старых ветвей биологии. Её истоками были работы Аристотеля и Галена, посвящённые анализу движений животных и человека. Но только благодаря работам одного из самых блистательных людей эпохи Возрождения – Леонардо да Винчи (1451 – 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.

Ко второй половине X V I I века были накоплены довольно обширные знания по механике: Уже были известны многие законы статики, Г. Галилей (1564 – 1642 гг.) провёл свои знаменитые опыты в области механики. Первой научной книгой, от которой ведёт своё начало биомеханика, было сочинение итальянского математика и врача Д. А. Борели (1608 – 1679 гг.), которое было опубликовано в 1679 г. и называлось «О движении животных».

Исаак Ньютон (1643 – 1727), гениальный английский физик, механик, астроном и математик. В 1687 г. вышел главный труд И. Ньютона – «Математические начала натуральной философии», в котором сформулированы три основных закона классической механики: закон инерции, закон пропорциональности приложенной к телу силы и вызванного действием силы ускорения тела и закон равенства действия и противодействия. Здесь же был высказан закон всемирного тяготения.

В X I X и начале X X века большой вклад в развитие биомеханики (прежде всего методов исследования) внесли американский учёный Е. Майбридж, французский исследователь Э. Марей. Немецкие биомеханики В. Брауне и О. Фишер, разработали совершенную методику регистрации движений, детально изучили динамическую сторону перемещений конечностей и общего центра тяжести (ОЦТ) человека при нормальной ходьбе.

Возникновение и развитие отечественной биомеханики связано с именами выдающихся учёных. Физиолог И. М. Сеченов (1829 – 1905гг.) опубликовал книгу «Очерк рабочих движений человека», в которой впервые рассмотрел некоторые вопросы биомеханики, А.А. Ухтомский (1875 – 1942 гг.) разработал учение о доминанте.

П. Ф. Лесгафтом (1837 – 1909гг.) была создана биомеханика физических упражнений, разработанная на основе динамической анатомии. В 1877 г. П. Ф. Лесгафт начал читать лекции по этому предмету на курсах пофизическому воспитанию.

3 Понятия о формах движения и особенности механического движения человека.

Понятие о формах движения. По уровню организации различают материю неживую, живую, мыслящую. Для каждого уровня характерны свои свойства и закономерности существования и развития. Всем трем уровням присущи механическая, физическая и химическая формы движения. Всему живому присуща биологическая форма движения, а социальная (мышление, социальные отношения) – только мыслящей материи. Каждая сложная форма движения всегда включает в себя более простые формы, но не сводится к их сумме. Простейшая форма движения – механическая, она существует везде. Но чем выше форма движения, тем менее существенна механическая форма.

Двигательные действия человека, которые изучаются в биомеханике, включают в себя механическое движение. В данном случае оно является целью двигательного действия человека (переместить себя, снаряд, партнера, соперника). Но определяющее положение при этом занимают более высокие формы движения. Целенаправленное движение в своем пространственно-временном, количественном и качественном выражении – это материализованная мысль, реализация которой обеспечивается комплексом физиологических систем организма (Ю.В. Верхошанский, 1988). Несколько иначе выразил эту мысль В.Т. Назаров (1984) – функции жизнедеятельности организма подчинены достижению поставленной двигательной цели, а сама цель является связующим фактором, объединяющим деятельность этих функций в систему.

4 Методы исследований в биомеханике?

4.1. Понятие метода исследования

Метод (греч. methodos – путь к чему-либо) – в самом общем значении – способ достижения цели, определенным образом упорядоченная деятельность.

Метод исследования выбирают исходя из условий проведения и задач исследования. К методу исследования и обеспечивающей его аппаратуре предъявляют следующие требования:

Метод и аппаратура должны обеспечивать получение достоверного результата, то есть степень точности измерений должна соответствовать цели исследования;

Метод и аппаратура не должны влиять на исследуемый процесс, то есть искажать результаты и мешать испытуемому;

Метод и аппаратура должны обеспечивать оперативность получения результата.

Пример. Тренер и спортсмен поставили цель улучшить результат в беге на 100 м на 0,1 с. Спринтер пробегает дистанцию 100 м за 50 шагов, следовательно, время каждого шага должно в среднем быть уменьшено на 0,002 с. Очевидно, для получения достоверного результата, погрешность измерения длительности шага не должна превышать 0.0001 с.

5 Биокинематические пары и цепи. Особенности действия мышц вовременно замкнутых биокинематических цепях . Биомеханические пары и цепи (незамкнутые, замкнутые, разветвленные). Биомеханическая система состоит из биомеханических пар и цепей – подвижно соединенных частей (сегментов) тела. Биокинематическая пара – это подвижное (кинематическое) соединение двух костных звеньев, в котором возможности движений определяются строением этого соединения и управляющим воздействием мышц. Биокинематическая цепь – это последовательное (разветвленное) незамкнутое, либо замкнутое соединение ряда кинематических пар.

В незамкнутых цепях есть конечное свободное звено, входящее в одну пару. В замкнутой цепи каждое звено входит в две пары. Поэтому в незамкнутой цепи возможны изолированные движения в каждом суставе. В замкнутой цепи в движение одновременно вовлекаются все соединения.

Незамкнутая цепь может стать замкнутой, если свободное конечное звено получит связь – замкнется «на себя» или «на опору».

6 Виды рычагов в биокинематических цепях. Изменение рода рычагав зависимости от функций биокинематической цепи?

Основу биокинематической цепи составляют кости – твердые негибкие звенья. Костные рычаги ( звенья тела подвижно соединенные в суставах) под действием приложенных сил могут либо сохранять свое положение, либо изменять его. Костные рычаги служат для передачи работы и движения на расстояние. Силы, действующие на рычаг можно объединить в две группы. 1. Силы или их составляющие, лежащие в плоскости оси рычаг, не влияют на вращение вокруг этой оси. 2. Силы или их составляющие, лежащие в плоскости перпендикулярной оси рычага, могут рассматриваться как силы движущие и как силы сопротивления (тормозящие).

Каждый рычаг имеет следующие элементы: точку опоры «О», точки приложения сил, плечи рычага (L) – расстояния от точки опоры до точек приложения сил, плечи сил (d) – расстояния от точки опоры до линии действия сил (перпендикуляры, опущенные из точки опоры на линии действия сил). F н – нормальная (перпендикулярная к направлению движения рычага в данной точке) составляющая силы F. F т – тангенциальная (касательная к направлению движения рычага в данной точке) составляющая силы F.

Рычаги в биокинематических цепях. Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относительно точки опоры: M= Fd.

По характеру расположения оси вращения, точек приложения равнодействующей сил сопротивления (P), и движущих сил (F) различают костные рычаги трех видов:

А – рычаг первого рода (двуплечий). Б – рычаг второго рода (одноплечий), рычаг силы. В – рычаг третьего рода (одноплечий), рычаг скорости.

В теле человека практически все рычаги – это рычаги третьего рада. Исключение составляют голова, таз в положении основной стойки и стопа – рычаги первого рода.

7 Биокинематических маятники?

Биокинематические маятники. Звено, движущееся по инерции, имеет сходство с маятником. Угловое ускорение звена как маятника:

ε = M/J = Fd/mR 2 инерции .

Составные маятники ведут себя гораздо сложнее.

8 условия равновесия и ускорение костных рычагов?

Условия равновесия и ускорения костных рычагов. Если противоположные относительно оси сустава моменты сил равны, звено сохраняет свое положение, либо продолжает свое движение с прежней скоростью. Но если один из моментов сил больше другого, звено получает ускорение в направлении его действия. В реальных условиях равновесие встречается редко, поэтому движения выполняются с ускорением (замедлением).

Во всех движениях угол между направлением равнодействующей силы и осью звена (рычага) меняется. Плечо рычага при этом постоянно, а плечо силы меняется, меняется и сама сила. Большинство рычагов в теле человека – это рычаги скорости, работающие с проигрышем в силе. Этот проигрыш возникает по трем основным причинам: прикрепление мышцы вблизи сустава; тяга мышцы не под прямым, а под острым или тупым углом к оси рычага; напряжение мышц-антагонистов.

9 Степени свободы в биокинематических парах и цепях.Расчет степеней свободы кисти, стопы, головы в открытых биокинематических цепях.

Степени свободы и связи в биокинематических цепях. Степень свободы – возможность выполнить движение в каком-либо направлении. Степень связи – невозможность выполнить движение в каком-либо направлении. Различают связи геометрические (постоянные препятствия, например, костные ограничения) и кинематические (ограничение скорости, например, мышцей-антагонистом).

Если у физического тела нет никаких ограничений, оно может двигаться в пространстве в трех измерениях и вращаться вокруг трех осей. Такое тело имеет 6 степеней свободы. Каждая связь уменьшает число степеней свободы. Фиксация одной точки свободного тела лишает его трех степеней свободы (линейных перемещений вдоль осей координат). Закрепление двух точек оставляет одну степень свободы – вращение вокруг продольной оси тела.

Почти во всех суставах тела человека (кроме межфаланговых, лучелоктевых и атлантоосевого), степеней свободы больше, чем одна. Это обусловливает неопределенность движений, множество возможностей движений («неполносвязный механизм»).

Управляющие воздействия мышц создают дополнительные связи и оставляют для движения только одну степень свободы. Это превращает тело в «полносвязный механизм».

10 биомеханических свойства мышц. Преобразование био потенциальной энергии в мышцах

Биомеханические свойства мышц это их: сократимость, упругость, жесткость, прочность и релаксация. Основная функция мышц состоит в преобразовании химической энергии в механическую работу или силу. Главные биомеханические показатели, характеризующие деятельность мышцы это – сила, регистрируемая на ее концах (сила тяги) и скорость изменения длины. Механические свойства мышцы обусловлены свойствами ее элементов и их расположении в мышце.

11 Разновидности работы мышц?

Разновидности работы мышц определяются сочетанием их силы тяги и длины. Виды работы мышц (преодолевающая, уступающая, статическая) определяются только характером изменения длины всей мышцы: укорочением, удлинением, сохранением. Для каждого из этих трех случаев существует возможность как минимум трех вариантов изменения силы тяги: увеличение, уменьшение, сохранение. Отсюда выделяют 9 типичных разновидностей работы мышц.

Сила тяги	Длина мышцы
	Уменьшается	Постоянная
Увеличивается	Движение «до отказа»	Усиление фиксации	Торможение до остановки
Постоянная	Изотоническое преодоление	Постоянная фиксация	Изотоническое уступание
Уменьшается	Разгон до максимальной скорости	Ослабление фиксации	Торможение с уступанием
Вид работы	Преодолевающая	Статическая	Уступающая

Изотонический режим в естественных условиях практически не встречается. Чаще всего мы имеем дело с разгоном до максимальной скорости, торможением до остановки, торможением с уступанием. То есть с разгоном звена или его торможением. В спортивных движениях практически всегда мышцы (сокращаются) в смешанных режимах. Преодолевающей работе предшествует работа уступающая. В этом случае силы упругой деформации вносят существенный вклад в повышение мощности преодолевающих движений.

12 Статический режим двигательной деятельности Статическая работа (статическое усилие) обеспечивает поддержание позы; для нее характерно более или менее длительное напряжение одних и тех же мышц, без видимого движения. В основе статической работы лежит изометрический режим сокращения, где нет укорочения мышцы (изменение длины) при развитии напряжения. В этих условиях нарушается кровообращение в мышцах в связи с тем, что напряженные мышечные волокна пережимают мелкие кровеносные сосуды. В результате этого в мышцах развивается гипоксимия, накапливаются продукты обмена, что и ведет к непроизвольному прекращению статического усилия. Кратковременность статического усилия, а также затруднение кровообращения, а иногда и дыхания при нем, ведет к тому, что усиление дыхания и кровообращения развивается после окончания статической работы (так называемый феномен статической работы).

Статическое усилие может сопровождаться натуживанием. Натуживание связано с резким повышением внутрибрюшного и внутригрудного давления (в связи с напряжением брюшных мышц и диафрагмы).

13 Динамический режим двигательной деятельности Динамическая работа – работа, при которой мышцы приводят в движение части тела человека, и тело перемещается в отношении опоры, земной или водной поверхности. Эта работа имеет физическое выражение, может быть определен коэффициент полезного действия. В ее основе лежит ауксотоническое сокращение мышц, где укорочение мышцы сочетается с развитием в ней напряжения.

Мышечные усилия (но не сокращения) могут быть подразделены на: 1) поддерживающие, преодолевающие и уступающие, 2) концентрические (укорочение мышц) и эксцентрические (удлинение мышц).

14 Мышечные синергии?

Мышечные синергии. Мышечные тяги в биокинематических цепях складываются в мышечные синергии – согласованные тяги группы мышц переменного действия, управляющие группой звеньев.

С одной строны, мышцы изменяют свое действие по ходу движения, действие их переменно. С другой стороны, в сложных установившихся двжениях совместное действие мышц настолько стабильно, что они представляют собой весьма постоянные устойчивые объединения («двигательные ансамбли», по А.А. Ухтомскому).

Этим обеспечивается управление каждым звеном и всем биомеханизмом в целом в соответствии с решаемой двигательной задачей. Из бесчисленного количества возможных движений выделялись, совершенствовались и стали применяться лишь немногие, наиболее целесообразные. Определяющую роль в этом играют мышечные синергии, находящиеся под контролем и управляемые нервной системой. Их активность строго согласуется с множеством сил, приложенных к костным звеньям, и направлена на наиболее рациональное использование законов биомеханики для решения двигательной задачи.

15 система отчета расстояний и времени

Система отсчета расстояний – условно выбранное твердое тело, по отношению к которому определяют положение других тел в различные моменты времени, а также направление отсчета, единицы отсчета, пункт (линия) отсчета. Абсолютно неподвижных тел не существует, все материальные объекты движутся. Но одни из них движутся так, что изменения их скорости (ускорения) несущественны и ими можно пренебречь – это инерциальные тела или инерциальные системы отсчета. Такими телами являются Земля и все объекты, связанные с ней неподвижно. Другие тела – неинерциальные – движутся с ускорениями, которые существенно влияют на решение биомеханической задачи.

С телом отсчета связывают начало и направление измерения расстояния и устанавливают единицы отсчета. Система отсчета расстояний включает в себя также пункт отсчета (точка на исследуемом теле), либо линию отсчета (при вращательном движении). В некоторых случаях движущееся тело рассматривают как материальную точку.

Для описания (задания) движения применяются естественный, векторный, координатный способы.

При естественном способе положение точки отсчитывают от начала отсчета, выбранного на заранее известной траектории (трасса, дорожка).

При векторном способе положение точки определяют радиус-вектором, проведенном из центра «0» системы координат к движущейся точке.

При координатном способе перемещение точки описывается (задается) изменением численных значений ее координат (численных значений проекции точки на координатные оси).

Различают линейные и угловые единицы измерения расстояния. основная линейная единица 1 метр, угловая – радиан (угол между двумя радиусами круга, вырезающими на окружности дугу, равную радиусу), 1 радиан равен 180 о /  , приблизительно 57 о .

В систему отсчета времени входят начало и единицы отсчета . В биомеханике за начало отсчета принимается момент начала движения или его части, либо момент начала наблюдения за движением. В течение одного наблюдения пользуются только одной системой отсчета времени. Единица отсчета времени – 1 секунда. Время движется от прошлого к будущему. Но в биомеханических исследованиях можно отсчитывать время в обратном направлении (например, за 0,5 с до постановки стопы на опору).

16 Пространственные характеристики движений. Временные характеристики движений.

Пространственные характеристики позволяют определять положения (по координатам) и движения (по траекториям).

В зависимости от задач исследования тело человека рассматривают как материальную точку (перемещение значительно больше размеров тела); твердое тело (можно пренебречь деформацией и не учитывать перемещения звеньев); систему тел (важны особенности движений звеньев).

Координаты точки, тела, системы тел. Координаты точки – пространственная мера местоположения точки относительно системы отсчета. Положение твердого тела в пространстве можно определить по положению (координатам) трех его точек, не лежащих на одной прямой. Используют также координаты общего центра тяжести тела (ОЦТ) и угловые координаты относительно исходного положения (неподвижной системы отсчета) – т.н. Эйлеровы углы. Положение системы тел, которая может изменять свою конфигурацию, определяют по положению каждого звена в пространстве. В этом случае удобно использовать угловые координаты, например, суставные углы или углы поворота звеньев, и по ним устанавливать позу тела как взаимное расположение звеньев. При изучении движения определяют исходное положение, из которого движение начинается, конечное положение, в котором движение заканчивается, мгновенные (промежуточные) положения. Выделяют также начальное положение – положение в момент начала данного измерения.

Траектория точки – это геометрическое место положения движущейся точки в рассматриваемой системе отсчета. На траектории выделяют ее длину, кривизну и ориентацию в пространстве. Таким образом, траектория дает пространственный рисунок движения точки. Расстояние по траектории равно пути точки. Кривизна траектории показывает какова форма движения точки в пространстве. Кривизна траектории – величина обратная радиусу кривизны. Ориентация траектории в пространстве при одной и той же ее форме может быть разной. Ориентацию прямолинейной траектории определяют по координатам точек исходного (начального) и конечного положений; ориентацию криволинейной траектории – по координатам этих двух и третьей точки, не лежащей с ними на одной прямой. Перемещение точки показывает в каком направлении и на какое расстояние сместилась точка, то есть перемещение определяет размах и направление движения. Линейное перемещение тела можно определить по линейному перемещению любой его точки, так как при этом все точки тела движутся одинаково – по подобным траекториям, с одинаковыми скоростями и ускорениями. Угловое перемещение тела определяют по углу поворота радиуса поворота. Следовательно любое перемещение тела в пространстве можно представить как геометрическую сумму его поступательного и вращательного движений.

Перемещение системы тел (биомеханической системы), изменяющей свою конфигурацию, определить весьма сложно. Поэтому его иногда рассматривают как движение ОЦТ, либо сводят несколько звеньев в одно. В настоящее время невозможно получить полную картину перемещений всех основных элементов тела, включая внутренние органы и жидкие ткани. В любом научном исследовании прибегают к более или менее значительному упрощению. Д.Д. Донской (1979) указывает, что в отличие от машин, характеризующихся определенностью движения (есть возможность определить положение любой точки системы в любой момент времени), в биомеханических системах, характеризующихся неопределенностью движений в сочленениях, вероятность найти закон движения всех звеньев тела в целом очень невелика. Эта вероятность несколько больше в тех упражнениях, где техническое мастерство проявляется в точном воспроизведении заранее определенных детализированных движений.

Временные характеристики раскрывают движение во времени. К ним относятся. Момент времени – когда началось и когда закончилось движение. Длительность движения – как долго оно длилось. Темп (частота) – как часто повторялось движение. Ритм – как соотносились части движения по длительности. Определяя положение точки в пространстве, необходимо определять и то, когда она там была.

Момент времени – временная мера положения точки, тела, системы тел . Момент времени определяют промежутком времени до него от начала отсчета. Выделяют не только момент начала и окончания движения, но и моменты существенно изменения движения – моменты смены фаз.

Длительность движения – это его временная мера, которая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения: ∆t = t к – t н . Сами моменты, как границы между двумя смежными промежутками времени длительности не имеют.

Величина обратная длительности движения называется темп или частота движений. Она измеряется количеством движений, повторяющихся в единицу времени: f = 1/ ∆t. Таким образом, частота движений – временная мера их повторности. Частота движений может служить показателем подготовленности в циклических видах спорта.

Ритм движений (временной) – это временная мера соотношения частей (фаз) движения. Он определяется по соотношению длительности частей движения: ∆t 12 / ∆t 23 / ∆t 34 …Ритм величина безразмерная. Чтобы определить временной ритм движения выделяют фазы, то есть части двигательного действия, различающиеся по задаче движения, его направлению, скорости и другим характеристикам. Ритм связан с характером и проявлением усилий. поэтому по ритму можно в некоторой мере судить о степени совершенства движений. В ритме особенно важны акценты – размещение максимальных усилий во времени.