Основные направления биомеханики

 

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).