Предмет биомеханики

Основы динамики, связывающие кинематику движения тел  с действием приложенных к  ним сил, только еще вырисовывались в работах Галилея (1564-1642) и Декарта (1569-1650). Трактат Ньютона (1643-1726) «Математические  начала натуральной философии», приведшего в стройную систему достижения своих  предшественников и четко сформулировавшего  известные законы динамики, вышла  в свет в 1686 г. уже после смерти Борели.

Отсюда понятно, что исследования Борели, прежде всего могли быть направлены на изучение статики человеческого тела. Им подробно были рассмотрены с точки зрения механики условия равновесия многозвенной системы, дано определение общего центра тяжести (ОЦТ) человеческого тела и приведены первые экспериментальные данные по этому вопросу. Анализ органов движения живых организмов заканчивался классификацией движений животных и человека по виду их взаимодействия с окружающей средой. Так были выделены движения, происходившие в результате отталкивания от опоры, подтягивания к ней, движения вызванные отталкиванием от жидкой или газообразной среды.

Свою научную  деятельность выдающийся математик  и механик Бернулли (1694-?) начал  с медицинской работы «Соискательная физико-математическая диссертация о движении мускулов». В ней автор предлагает модель мышцы в виде отдельных волокон. В этом исследовании применялось лейбницево дифференциальное исчисление. Таким образом для современного математического аппарата задача механики живого была одним из первых пробных камней. До сих пор в биомеханике отмечается принцип Бернулли, согласно которому величина мышечного сокращения при прочих равных условиях пропорциональна длине образующих мышцу волокон.

Примечательно внимание с каким обращались в то время к проблеме движения живых существ основоположники классической механики. В своей последней крупной незаконченной работе «Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света (1706, 1721) Ньютон, оставляя своеобразное творческое завещание, отмечал: «Ввиду того, что я не завершил этой части моего плана, я закончил предложением только нескольких вопросов для дальнейшего исследования, которое произведут другие». Среди вопросов под № 28 говорится: «Каким образом тела животных устроены с таким искусством и для какой цели служат их отдельные части…? Каким образом движение тел следует воле и откуда инстинкт у животных?»

Значительный  этап в биомеханике физических упражнений связан с именами братье Вебер. В фундаментальной работе «Механика двигательного аппарата человека» (г. Геттинген, 1836) приведен уже значительный материал по кинематике ходьбы.

Значительный  вклад в изучение динамики двигательных актов внесли Вильгельм Брауне и Отто Фишер. Они уточнили расположение ОЦТ тела и отдельных его частей, впервые экспериментально установили величины моментов инерции звеньев тела, усовершенствовали методы регистрации движений, подошли к определению вращательных моментов мышц, развиваемых в отдельных суставах. После смерти Брауне Фишер изучил с точки зрения динамики действие одно- и многосуставных мышц, изложил статику человеческого тела как частный случай динамики мышечной деятельности и решил ряд других задач.

Огромный вклад  в биомеханику спорта внес Николай  Александрович Бернштейн (1896-1966), который  неоднократно говорил, что каждая наука  становится действительной наукой только тогда, когда она в состоянии  ответить на два следующих вопроса, поставленных к предмету ее исследования: как происходит явление и почему оно происходит? Согласно первому  вопросу находятся сперва качественные описания рассматриваемых явлений, а затем и количественные взаимоотношения его отдельных частей. На втором этапе, соответствующем вопросу «почему?» также вначале качественно, а затем в строгой математической формулировке устанавливаются причины, вызывающие эти явления. Но ответов на эти вопросы оказывается еще недостаточно для уяснения сущности происходящих биологических явлений. Это особенно наглядно прослеживается при изучении движений живых существ. действительно, много ли может сказать о сущности акта ходьбы подробный анализ кинематики шага человека или определение причин движения: внешние и мышечные силы и моменты сил, действующие на звенья тела? Все это говорит о том, что в цепи логических суждений о движении живых существ выпускается какое-то звено.

Таким звеном оказался третий, не присущий неживым объектам исследования, вопрос – «для чего?»  – отражающий целесообразность деятельности биологических систем. Эта черта  функционирования живых существ  была названа активностью.

Так складывались основные направления в развитии биомеханики: механическое, функционально-анатомическое  и физиологическое, существующие и  поныне. Основные направления в биомеханике  возникали последовательно и  далее развивались параллельно. В механическом направлении заложены основные идеи об изменении движений под действием приложенных сил и о применимости законов механики к движениям человека и животных. В функционально-анатомическом – идеи о единстве и взаимообусловленности формы и функции в живом организме. В физиологическом – идеи системности функций организма, энергетического обеспечения и идея нервизма, раскрывающая значение процессов управления движениями в двигательной деятельности.

Механическое  направление, начатое работами Д. Борели, развитое Брауне и Фишером, представлено сейчас в работах многих зарубежных школ. механический подход к изучению движений человека прежде всего позволяет определять количественную меру двигательных процессов. Измерение механических показателей двигательной функции совершено необходимо для объяснения физической сущности механических явлений. Это одна из основ биомеханики. С точки зрения физики раскрываются строение и свойства опорно-двигательного аппарата, а также движений человека. В этом отношении механическое направление никогда не потеряет своего значения. Вместе с тем иногда встречается упрощенная трактовка биомеханики как «прикладной к живому» механики, что ограничивает возможности познания действительной сложности движений человека и их целенаправленного совершенствования.

Функционально-анатомическое  направление (динамическая анатомия) возникло в России. Среди его основоположников П.Ф. Лесгафт (1837-1930), И.М. Сеченов (1829-1905), М.Ф. Иваницкий (?-?). это направление  характеризуется преимущественно  описательным анализом движений в суставах, определением участия мышц в сохранении положения тела и его движениях. знание морфологических особенностей биомеханических систем обеспечивает более глубокое и правильное обоснование физической и технической подготовки в физическом воспитании и, в частности, в спорте.

Физиологическое направление складывалось под влиянием идей нервизма, учения о высшей нервной  деятельности и данных нейрофизиологии. И.М. Сеченов, И.П. Павлов (?-?), А.А. Ухтомский (1875-1942), П.К. Анохин (?-?), Н.А. Бернштейн и др. показали в своих работах рефлекторную природу двигательных действий и роль механизма нервной регуляции при взаимодействии организма и среды. Труды этих авторов составляют основу для исследования движений с учетом физиологии организма. В частности П.К. Анохин явно указал, что только представление о цели связывает деятельность разрозненных систем организма в единое целое – функциональную систему. Исследования Н.А. Бернштейна позволили ему установить чрезвычайно важныйпринцип управления движениями общепризнанный в настоящее время. Управление движениями осуществляется посредством: а) приспособления импульсов (команд) нервной системы по ходу движения к конкретным условиям его выполнения; б) устранения отклонений от задачи движения (коррекция).

Все три направления  в развитии биомеханики объединены в рамках системно-структурного подхода  как методологической основы изучения движений.

Современный этап развития биомеханики  спорта. Биомеханика спорта в нашей стране развилась из биомеханики физических упражнений, созданной П.Ф. Лесгафтом во второй половине 19 века в России. До 1927 года этот курс (теория телесных движений) входил в предмет «физическое образование», а затем был выделен в самостоятельный предмет под названием «теория движения». С 1931 года переименован в курс «биомеханика физических упражнений».

С 1930-х гг. в  институтах физической кльтуры в Москве (Н.А. Бернштейн), Ленинграде (Е.А. Котикова, Е.Г. Котельникова), Тбилиси (Л.В. Чхаидзе), Харькове (Д.Д. Донской) и других городах развернулась учебная и научная работа по биомеханике спорта. После выхода в свет в 1939 г. Учебного пособия «Биомеханика физических упражнений» (под ред. Е.А. Котиковой) биомеханическое обоснование спортивной техники стало входить во все учебники по видам спорта.

Необходимость улучшения  подготовки спортсменов СССР к Олимпийским  играм послужила мощным стимулом развития биомеханики спорта. С 1958 г. Во всех ИФК биомеханика стала  обязательной учебной дисциплиной, создавались кафедры биомеханики, разрабатывались программы, издавались пособия и учебники, готовились кадры  преподавателей.

С середины 1960-х  гг. получило значительное развитие такое  направление биомеханики как  математическое моделирование (В.Т. Назаров, 1965; В.Н. Тутевич, 1969) спортивных движений.

Исследованиями  И.М. Козлова (1975), И.П. Ратова (1970) была показана исключительная ценность непрерывной  параллельной регистрации биомеханических  и электрофизиологических параметров при изучении спортивных движений для  установления связи между различными феноменами движений.

Значительный  вклад в понимание биомеханических  процессов, имеющих место при  выполнении спортивных движений, внесли электрофизиологи Коц, Персон, Коряк, Коми.

В конце 1960-х гг. создано Международное общество биомехаников, проводятся симпозиумы и конгрессы по биомеханике, на которых значительное место занимает биомеханика спорта. При президиуме Академии наук России существует Научный Совет по проблемам биомеханики с секциями по проблемам инженерной, медицинской и спортивной биомеханики.

Педагогическая направленность биомеханики  спорта. Процесс физического воспитания вообще и подготовка спортсменов высокой квалификации немыслимы без глубокого биомеханического обоснования спортивной техники, методики ее совершенствования. За последние десятилетия значительно усилилось педагогическое направление в биомеханике спорта. Совместными усилиями различных школ биомеханики разработаны основы программированного обучения технике и тактике двигательной деятельности. Эти идеи получили дальнейшее развитие в рамках педагогической кинезиологии (Х.Х. Гросс, 1977). Ее центральным понятием является модель оптимальной техники. Кроме того, биомеханические исследования лежат в основе очень многих педагогических исследований в спорта, так как без изучения количественных показателей двигательной деятельности невозможно совершенствовать методику обучения и тренировки во многих видах спорта.

Связь биомеханики с другими  науками. Биомеханика как одна из биологических наук нового типа сближается по методам исследования с точными науками. Общая биомеханика как раздел биофизики возникла на стыке физико-метематических и биологических областей знания. Успехи этих наук, использование идей и подходов кибернетики сказывается на развитии биомеханики. Но и эти науки обогащаются данными биомеханики о физике живого. То есть тут налицо двусторонняя связь.

Кроме того, биомеханика  обслуживает такие отрасли знания или области действия как разработка роботов (бионика), инженерная биомеханика. медицинская биомеханика дает обоснование методам протезирования, ортопедии, ЛФК.

И вообще, следует  учитывать, что биомеханика спорта – лишь часть биомеханики, о которой  еще А.А. Ухтомский писал: «Биомеханика изучает ту же систему нервно-мышечных приборов как рабочую машину, то есть задается вопросом, каким образом  полученная механическая энергия движения и напряжения может приобрести определенное рабочее применение. Нам предстоит  отдать себе отчет в том, каковы те условия, при которых движущие силы мускулатуры действуют на твердые  части скелета и могут превращать тело живого в рабочую машину с  определенным рабочим эффектом».