Биомеханика как наука о движениях человека

Джерело:

Предмет науки раскрывает, что именно и с какой целью изучается. 

Биомеханика — наука о законах механического движения, в живых системах. 

В самом широком смысле к живым системам (биосистемам) относят: а) целостные организмы (например, человек); б) их органы и ткани, а также жидкости и газы в них (внутриорганизменные системы) и даже в) объединения организмов (например, совместно действующая пара акробатов, противодействующие борцы).
Составляющие составного Движения 

Составное движение образуется из нескольких составляющих движений звеньев в сочленениях биокинематической цепи. 

В простейших случаях в механике складываются два поступательных движения двух тел. 

  Когда в составном движений принимают участие два тела, то обычно составляющие движения называют переносными и относительными. Платформа как бы переносит на себе движение по ней груза; движение платформы переносное. Движение же груза по платформе относительно системы отсчета, связанной с самой платформой, относительное. Тогда движение груза в неподвижной системе отсчета (Земля) результирующее: это ре­зультат двух составляющих движений. 

В теле человека таких движений не бывает, так как почти во всех суставах звенья движутся вокруг осей сочленений. В биокинематических цепях обычно движется много звеньев; одни «несут» на себе движения других (несущие и несомые движения). Несущее движение (например, мах бедром при выносе ноги в беге) изменяет несомое (сгибание голени). 

При движениях в незамкнутой кинематической цепи угловые перемещения, скорости и ускорения, если они направлены в одну сторону, складываются. Разнонаправленные движения не складываются, а вычитаются (суммируются алгебраически). 

Сложнее составные движения, в которых составляющие движения вращательные (по дуге окружности) и поступательные (вдоль радиуса) 

В составном движении, образованном из вращательных составляющих движений (в биокинематической цепи), вследствие суммирования равнонаправленных и вычитания разнонаправленных движений в разных суставах всегда происходит прибавление движения и вдоль радиуса (поступательное). Значит, биокинематическая цепь (по прямой линии — от ее начала до конца) укорачивается или удлиняется (например, при махе рукой, ногой в прыжках). Вектор v груза повернулся в сторону вращения. Эти два изменения скорости обусловлены ускорением Кориолйса. Когда биокинематическая цепь укорачивается, кориолисово ускорение звеньев, приближающихся к оси вращения, направлено навстречу вращению, а когда удлиняется, — в сторону вращения. От кориолйсова ускорения зависит убыстрение и замедление углового поворота, что можно объяснить появлением кориолйсовых сил инерции. 

В биокинематических цепях с большим числом степеней свободы движений кинематика очень сложна. Каждое движение в сочленениях незамкнутой цепи (например, свободной конечности) влияет на траектории, скорости и ускорения более отдаленных звеньев. В этих случаях характеристики составных движений проще регистрировать, чем рассчитывать. Чаще всего определить их заранее нельзя: слишком уж много возможных вариантов. В процессе тренировки происходит согласование движений звеньев, необходимое для достижения цели, обеспечивается необходимая плавность и рациональная форма траек­торий, происходит согласование величины и направлений скоростей; регулируется быстрота нарастания и снижения ускорений. Последнее определяет резкость движений и зависит от быстроты увеличения и ослабления усилий. Одновременно ритмы движений звеньев и цепей согласуются в общий ритм действия. Происходит сложная интеграция движений биомеханической системы посредством процесса управления движениями. 

 Движения биокинематических цепей 

В зависимости от направления скоростей движения звеньев тела человека могут быть возвратно-вращательными, возвратно-поступательными и круговыми. 

Строение сочленений не позволяет совершать движения в суставах по «принципу колеса», т. е. делать неограниченный поворот вокруг оси сустава в одну сторону. Поэтому почти все движения имеют возвратный характер. Возвратно-вращательные движения напоминают движения маятника вокруг оси, расположенной поперек биокинематической цепи (сгибание-разгибание) или продольно (супинация-пронация). 

Определенное согласование вращательных движений в различных суставах биокинематической цепи позволяет конечным звеньям двигаться поступательно (кисть боксера при вращательных движениях в плечевом и локтевом суставах; туловище бегуна при отталкивании ногой). Пример возвратно-поступательного движения — работа пилой, напильником. В этих случаях угловые скорости противоположно направленных движений одинаковы (пара скоростей). 

Наконец, в шаровидных суставах возможно сложное круговое движение, когда продольная ось звена описывает коническую поверхность. При этом согласуются два движения: самой продольной оси и звена вокруг этой оси. Только такое конусообразное движение и может выполняться без обязательных возвратных движений. 

В возвратных движениях имеется критическая точка, в которой происходит смена направления движения (амортизации на отталкивание — в беге, заноса весла на гребковое движение — в гребле, замаха ракеткой на ударное движение — в теннисе). В каждом суставе направления и размах движений ограничены. Значит, звено в суставе может занимать не любое, а лишь анатомически возможное положение. Однако из бесчисленного множества возможных движений только малая часть вызвана потребностями человека и отвечает энергетическим требованиям. Эти движения отобраны и закрепились в челове­ческой практике как наиболее рациональные, стали привычными к общеупотребительными. 

  

Динамика составных движений 

В динамике абсолютно твердого тела действие силы рассматривается как причина изменения движения. Однако если силы уравновешены, то изменения движения не произойдет. В деформируемом теле возникает при этом деформация и связанное с нею изменение напряжения внутри тела (статическое действие). 

Сила, действующая статически, уравновешена другой силой и вызывает не ускорение, а только деформацию тела. Силу, действующую статически, измеряют уравновешивающей ее силой. Если на данное тело М действуют с одинаковыми силами F A и F B два тела А и В , то эти силы взаимно уравновешиваются. Обе силы 

действуют статически, ускорения нет, скорость тела М не изменяется. Каждая из этих сил (действие имеет равное и противоположное противодействие (реакции R A и R B ). В случае уравновешивания имеются три тела (М, А, В) и два взаимодействия. Следует подчеркнуть, что уравновешиваются F A и F B . Соответствующие действия и противодействия F A и # А , а также F B и R B не уравновешиваются, так как они приложены к разным телам. 

Как показано на рис. 30, б, силы могут действовать статически в покое (реакция опоры R уравновешивает силу тяжести гимнаста G ), а также (рис. 30, в) в движении, направленном перпендикулярно к уравновешивающей силе (реакция опоры R уравновешивает силу тяжести скользящего конькобежца G ), и в движении по направлению уравновешенной силы (сопротивление воздуха и трение лыж о снег Q уравновешивают при постоянной скорости спуска скатывающую составляющую S силы тяжести лыжника G — рис. 30, г). Реакция опоры R уравновешивает нормальную составляющую ( N ). Уравновешенная сила независимо от покоя или направления движения сама по себе не изменяет скорости тела. 

Во всех случаях уравновешенная сила обусловливает только деформацию того тела, к которому она приложена. Нелишне заметить, что при взаимном уравновешивании статически действуют обе силы. 

Сила, действующая динамически, не уравновешена другой силой. Она вызывает ускорение, а также деформацию тела, к которому приложена. Такую силу измеряют по изменению движений тела, к которому она приложена, но при этом обычно не определяют затрат работы на деформацию. 

Сила F m , приложенная к телу М), вызовет ускорение, зависящее от массы этого тела. Однако в реальных условиях необходимо учитывать, что всегда существуют другие тела (Земля, среда — воздух, вода и пр.), которые могут оказывать тормозящее действие. Поэтому в принципе и здесь не будет взаимодействия только 

двух тел. Сила, действующая динамически (действие), вызывает ускорение и деформацию, а также противодействие ускоряемого тела — силу инерции. Зная массу ускоряемого тела и его ускорение под действием динамической силы, определяют ее величину и направление. 

Силы, приложенные к звеньям тела человека, действуя динамически, приводят к различному результату. В зависимости от того, как направлены силы относительно скорости движущегося тела, различают: 

— движущие силы, которые совпадают с направлением скорости (попутные) или образуют с ним острый угол и могут, совершать положительную работу; 

— тормозящие силы, которые направлены противоположно направлению скорости (встречные) или образуют с ним тупой угол и могут совершать отрицательную работу; 

— отклоняющие силы, перпендикулярные к направлению скорости и увеличивающие кривизну траектории; 

— возвращающие силы, также перпендикулярные к направлению движения, но уменьшающие .кривизну траектории. 

Обе последние группы сил непосредственно не изменяют величину тангенциальной (касательной) скорости. 

От соотношения сил, приложенных к каждому звену тела, зависит и результат их действия. 

Тормозящие силы имеются всегда. Если движущие силы больше тормозящих, то их разность—ускоряющая сила—обусловливает увеличение скорости, сообщает телу положительное ускорение, совершает положительную работу, увеличивает кинетическую энергию тела. Необходимо подчеркнуть, что не вся движущая сила обусловливает ускорение, а только ее избыток над тормозящей силой, т. е. ускоряющая сила. Значит не вся движущая сила совершает работу по передвижению звеньев. Значительная часть работы переходит в механическую энергию деформации и, кроме того, в немеханические формы энергии (прежде всего в тепловую). Если нет движущих сил (у них нулевая величина — движение происходит по инерции) или они меньше тормозящих, то их разность — замедляющая сила — уменьшает скорость, обусловливает отрицательное ускорение (замедление). От соотношения отклоняющих и возвращающих сил зависит действие поворачивающей силы, изменяющей кривизну траектории. С уменьшением поворачивающей силы траектория выпрямляется, приближаясь к прямолинейной. 

Силы, приложенные к звену в месте контакта с соседним, — суставные силы. Силы, приложенные к звену тела на плече силы, создают относительно оси сустава суставные моменты. Действие их в основном такое же, как и самих сил: ускоряющее, замедляющее, поворачивающее. В конечном счете именно действие суставных сил и суставных моментов сил и вызывает изменение положений тела и изменение движений. 

Скорости звеньев изменяются в результате импульсов сил и моментов сил. Множество сил обусловливает для каждого звена в сочленении результирующий импульс момента сил. Каждое звено 

изменяет скорость вращения вокруг оси в суставе вследствие именно к нему приложенных сил. Причины движений для каждого звена в биокинематических цепях разные. Именно поэтому в материальной системе при ее разнообразных движениях нельзя найти одну равно­действующую силу, которая заменяла бы для всех звеньев все силы, приложенные к каждому звену. Можно лишь устанавливать равнодействующие силы и моменты сил для каждого звена. 

В материальной системе не действуют аксиомы статики о приложении двух равных и противоположных сил и р переносе вектора силы по его направлению. Приложение двух сил или перенос силы вызывает деформацию и изменяет напряжение. Вектор силы в мате­риальной системе не скользящий, а связанный, и поэтому его переносить нельзя. По этой же причине в материальной системе нельзя складывать параллельные силы (тяжести, инерции) и понятия «центр тяжести», «центр инерции» для нее не имеют физического смысла. Однако для расчетов, а также для уяснения характера процессов применяют прием отвердения. Условно считают биомеханическую систему на данный момент времени отвердевшей, превратившейся в одно твердое тело. Тогда можно найти положения ЦМ такими же способами, как центра тяжести твердого тела; можно привести силы к точке; возможен перенос реакции опоры в ЦМ и другие операции. Делаются в биомеханике и иные допущения: множество фактических источников сил сводится к немногим; тело человека рассматривается по редуцированной (сокращенной) схеме (14 или 16 звеньев вместо более 200) и др. Считается, что усилия передаются от одного звена к другому без потерь, в то время как полнота передачи определяется суставной жесткостью, зависящей от мышечных суставных моментов, от напряженности мышц. Делая подобные упрощения, без которых вообще невозможно изучать движения человека, следует ясно понимать характер и степень допущений, чтобы правильно оценивать получаемые результаты.

 

gled.myorel.ru