Уровни управления движениями в биомеханике. Введение в биомеханику физических упражнений

1 . Биомеханические характеристики как понятие

Наблюдая движения человека, можно заметить, что мно-гие их особенности все время изменяются. Изменяется поло-жение звеньев тела, скорости движения и многое другое. Осо-бенности (или признаки) движения позволяют разделить слож-ное движение на составные части, заметить, как они влияют одна на другую, как помогают достичь цели. Для этого и изу-чают характеристики движений человека.

Характеристики движений человека - это те особен-ности, или признаки, по которым движения различаются меж-ду собой.

Различают качественные и количественные характеристики.

Качественные характеристики - характеристики, описы-ваемые только словами и не имеющие точной количественной меры (например: напряженно, свободно, плавно, мягко и др.).

Количественные характеристики - характеристики, которые измеряют или вычисляют, они имеют количествен-ную меру.

Педагогу при проведении урока нечем и некогда изме-рять и регистрировать количественные характеристики. Ему приходится пользоваться качественными характеристиками, он проводит качественный биомеханический анализ движе-ний каждого ученика.

Изучая движения с помощью измерительной и записыва-ющей аппаратуры, получают количественные характеристи-ки. Их обрабатывают, проводят вычисления для количествен-ного биомеханического анализа. Конечно, затем должен сле-довать и качественный анализ, чтобы понять законы движения и использовать их в физическом воспитании. Хорошо владея навыками количественного анализа, в повседневной практи-ческой работе можно с успехом пользоваться только каче-ственным анализом.

Вся сложность взаимосвязи характеристик, используемых для изучения движений человека, отражена в схеме.

Из нее видно, что наиболее важными являются те из них, которые характеризуют изменения положения тела и движе-ния. К ним относятся кинематические и динамические ха-рактеристики. При этом следует отметить тот факт, что дви-жения человека и предметов, перемещаемых им, можно заме-тить и измерить, только сравнивая их положения с положением выбранного для сравнения тела (тело отсчета) . Поэтому все движения человека в биомеханике рассматриваются как от-носительные.

Движение выражается в изменении с течением времени взаимного положения тел. Его можно наблюдать и отсчиты-вать только относительно других реальных тел (например, при прыжках в длину - относительно бруска) или условных (например, в старте яхт - относительно линии створа) .

В зависимости от условий задачи, стоящей при изучении двигательного действия, выбирается та или иная система от-счета. Принято выделять:

Инерциальную систему отсчета (Земля, дорожка, лыж-ня) - движения их в данной системе незаметны при измере-ниях, т.е. изменениями скорости, ускорениями при решении данной задачи можно пренебречь;

Неинерциальная система отсчета - движущееся тело (скользящая лыжа, раскачивающиеся кольца), движение ко-торого происходит с заметным ускорением, существенно вли-яющим на отсчет расстояния;

Соматическая система отсчета (тело человека) - движе-ние звеньев рассматривается относительно туловища.

2 . Кинематические характеристики

Наблюдая сам факт движений, их внешнюю картину, раз-личают пространственную форму (рисунок, узор) движений и их характер (изменение во времени - быстрее, чаще и т.п.) .

Количественные характеристики, раскрывающие форму и характер движений, называются кинематическими .

Они описывают движения в пространстве и во времени. Соответственно различают характеристики:

Пространственные;

Временные;

Пространственно-временные.

Пространственные характеристики позволяют опре-делить, каково исходное и конечное положения при движении

(координата), какова между ними разница, насколько они из-менились (перемещение) и через какие промежуточные поло-жения выполнялось движение (траектория), т.е. простран-ственные характеристики в целом определяют пространствен-ную форму движений человека.

Координата точки - это пространственная мера мес-тоположения точки относительно системы отсчета.

С точки зрения механики описать движение - это значит определить положение в любой момент времени, определить координаты опознавательных точек тела, по которым изуча-ют ход движения в пространстве.

По координатам определяют, где находится изучаемая точка относительно начала отсчета, измеряя ее линейные ко-ординаты. Положение точки на линии, определяет одна коор-дината, на плоскости - две, в пространстве - три.

Изучая движение нужно определить: 1) начальное поло-жение, из которого движение начинается; 2) конечное поло-жение, в котором движение заканчивается; 3) ряд мгновен-ных промежуточных положений, которые принимает тело при выполнении движения.

Перемещение точки - это пространственная мера из-менения местоположения точки в данной системе отсчета.

Перемещение - величина векторная. Она характеризует-ся численным значением (модулем) и направлением, т.е. оп-ределяет размах и направление движения. Если после движе-ния точка вернулась в исходное положение, перемещение рав-но нулю. Таким образом, перемещение есть не само движение, а лишь его окончательный результат - расстояние по прямой и направление от исходного до конечного положения.

Перемещение (линейное, в поступательном движении) из-меряется разностью координат в моменты начала и оконча-ния движения (см. таблицу 2) .

Перемещение тела при вращательном движении измеря-ется углом поворота - разностью угловых координат в одной и той же системе отсчета расстояний.

Траектория точки - это пространственная мера дви-жения (воображаемый след движения точки) . Траекторию определяют, устанавливая ее длину, кривизну и ориентацию в пространстве.

Пространственный рисунок движения точки дает ее тра-ектория. Длина траектории показывает, каков путь точки.

Путь точки в прямолинейном движении равен расстоя-нию от исходного до конечного положения.

При криволинейном движении путь точки равен ариф-метической сумме модулей ее элементарных перемещений.

Кривизна траектории показывает, какова форма движе-ния в пространстве. Чтобы определить кривизну траектории, измеряют радиус кривизны. Если траектория является дугой окружности, радиус кривизны постоянный. С увеличением кривизны ее радиус уменьшается, и, наоборот, с уменьшением кривизны, радиус увеличивается.

Ориентация траектории в пространстве при одной и той же ее форме может быть разная. Ориентацию определяют для прямолинейной траектории по координатам точек на-чального и конечного положений; для криволинейной траек-тории - по координатам этих двух точек и третьей точки, не лежащей с ними на одной прямой линии.

В совокупности ориентация, длина и кривизна траекто-рии позволяют определить направление, размах и форму дви-жения точки, а также начальное положение, конечное и все промежуточные.

Временные характеристики раскрывают движения во времени: когда оно началось и закончилось (момент времени), как долго длилось (длительность движения), как часто выпол-нялось движение (темп) , как движения были построены во времени (ритм) . Вместе с пространственно-временными харак-теристиками они определяют характер движений человека.

Момент времени - это временная мера положения точ-ки тела и системы, определяемая промежутком времени до него от начала отсчета.

Момент времени определяют не только для начала и окон-чания движения, но и для других важных мгновенных положений. В первую очередь это моменты существенного изме-нения движения: заканчивается одна часть (фаза) движения и начинается следующая (например: отрыв стопы от опоры в беге - это момент окончания фазы отталкивания и начало фазы полета). По моментам времени определяют длитель-ность движения.

Длительность движения - это его временная мера, ко-торая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения.

Длительность движения представляет собой количество времени, прошедшее между двумя ограничивающими его мо-ментами времени. Сами моменты (как границы между двумя смежными промежутками времени) длительности не имеют. Ясно, что измеряя длительность, пользуются одной и той же системой отсчета времени. Узнав путь точки и длительность ее движения, можно определить ее скорость. Зная длитель-ность движений, определяют также их темп и ритм.

Темп движений - это временная мера повторности дви-жений. Он измеряется количеством движений, повторяющихся в единицу времени (частота движений) .

Темп - величина, обратная длительности движений. Чем больше длительность каждого движения, тем меньше темп, и наоборот. В циклических движениях темп может служить показателем совершенства техники.

Ритм движений - это временная мера соотношения час-тей движений. Он определяется по соотношению промежутков времени, затраченного на соответствующие части движения.

Ритм определяют как соотношение двух периодов времени (например: опоры и полета в беге) или длительности двух фаз периода (например: фазы амортизации и фазы отталкивания в опорном периоде) . Можно говорить и о ритме ряда фаз (напри-мер: соотношение длительностей пяти фаз скользящего шага в лыжном ходе) . Ритм бывает постоянным и переменным.

Пространственно-временные характеристики определя-ют, как изменяются положения и движения человека во времени.

Скорость точки - это пространственно-временная мера движения. Она определяет быстроту изменения положения точки в пространстве с изменением времени.

В поступательном движении скорость измеряется отно-шением пройденного пути (с учетом его направления) к затра-ченному времени; во вращательном движении - отношением угла поворота ко времени, за которое произошло вращение.

Ускорение точки - это пространственно-временная мера изменения движения, которая характеризует быстро-ту изменения скорости по величине и направлению.

Ускорение измеряется отношением изменения скорости (угловой скорости) к затраченному на него времени.

Различают ускорения точки: а) положительное, имеющее одинаковое направление со скоростью, - скорость возрастает; б) отрицательное, имеющее направление, противоположное направлению скорости, - скорость убывает; в) нормальная -скорость прежняя, изменяется направление.

3 . Динамические характеристики

Все движения человека и движимых им тел под действи-ем сил изменяются по величине и направлению скорости. Чтобы раскрыть механизм движений (причины их возник-новения и ход их изменения), исследуют динамические харак-теристики. К ним относятся инерционные характеристики (особенности самих движущихся тел) , силовые (особенности взаимодействия тел) и энергетические (состояния и измене-ния работоспособности, биомеханических систем) .

Инерционные характеристики раскрывают, каковы особенности тела человека и движимых им тел в их взаимо-действиях. От инерционных характеристик зависит сохране-ние и изменение скорости.

Все физические тела обладают свойством инертности (или инерции), которое проявляется в сохранении движения, а так-же в особенностях изменения его под действием сил.

Понятие инерции раскрывается в первом законе Ньюто-на: "Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равно-мерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы не заставят его изменить это состояние".

Говоря проще: тело сохраняет свою скорость, а также под действием внешних сил изменяет ее.

Масса - это мера инертности тела при поступатель-ном движении. Она измеряется отношением величины при-ложенной силы к вызываемому ею ускорению.

Масса тела характеризует, как именно приложенная сила может изменить движение тела. Одна и та же сила вызовет большее ускорение у тела с меньшей массой, чем у тела с боль-шей массой.

Момент инерции - это мера инертности тела при вращательном движении. Момент инерции тела относитель-но оси равен сумме произведений масс веек его частиц на квадраты их расстояний от данной оси вращения.

Отсюда видно, что момент инерции тела больше, когда его частицы дальше от оси вращения, а значит угловое ускорение тела под действием того же момента силы меньше; если части-цы ближе к оси, то угловое ускорение больше, а момент инерции меньше. Значит, если приблизить тело к оси, то легче вызвать угловое ускорение, легче разогнать тело во вращении, легче и остановить его. Этим пользуются при движении вокруг оси.

Силовые характеристики. Известно, что движение тела мо-жет происходить как под действием приложенной к нему движу-щей силы, так и без движущей силы (по инерции), когда приложе-на только тормозящая сила. Движущие силы приложены не все-гда; без тормозящих же сил движения не бывает. Изменение движений происходит под действием сил. Сила не причина дви-жения, а причина изменения движения; силовые характеристики раскрывают связь действия силы с изменением движения.

Сила - это мера механического воздействия одного тела на другое в данный момент времени. Численно она определя-ется произведением массы тела и его ускорения, вызванного данной силой.

Чаще всего говорят про силу и результат ее действия, но это применимо только к простейшему поступательному дви-жению тела. В движениях человека как системы тел, где все движения частей тела вращательные, изменение вращатель-ного движения зависит не от силы, а от момента силы.

Момент силы - это мера вращающего действия силы на тело. Он определяется произведением силы на ее плечо.

Момент силы обычно считают положительным, когда сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицатель-ным при повороте по часовой стрелке.

Чтобы сила могла проявить свое вращающее действие, она должна иметь плечо. Иначе говоря, она не должна прохо-дить через ось вращения.

Определение силы или момента силы, если известна мас-са или момент инерции, позволяет узнать только ускорение, т.е. как быстро изменяется скорость. Надо еще узнать, на-сколько именно изменится скорость. Для этого должно быть известно, как долго была приложена сила. Иначе говоря, сле-дует определить импульс силы (или ее момента) .

Импульс силы - это мера воздействия силы на тело за данный промежуток времени (в поступательном движе-нии) . Он равен произведению силы и продолжительности ее действия.

Любая сила, приложенная даже в малые доли секунды (например: удар по мячу) , имеет импульс. Именно импульс силы определяет изменение скорости, силой же обусловлено только ускорение.

Во вращательном движении момент силы, действуя в те-чение определенного времени, создает импульс момента силы.

Импульс момента силы - это мера воздействия мо-мента силы относительно данной оси за данный промежу-ток времени (во вращательном движении) .

Вследствие импульса как силы, так и момента силы воз-никают изменения движения, зависящие от инерционных свойств тела и проявляющиеся в изменении скорости (коли-чество движения, кинетический момент) .

Количество движения - это мера поступательного дви-жения тела, характеризующая его способность передавать-ся другому телу в виде механического движения. Количество движения тела измеряется произведением массы тела на его скорость.

Кинетический момент (момент количества движе-ния) - это мера вращательного движения тела, характери-зующая его способность передаваться другому телу в виде механического движения. Кинетический момент равен про-изведению момента инерции относительно оси вращения на угловую скорость тела.

Соответствующее изменение количества движения происхо-дит под действием импульса силы, а под действием импульса момента силы происходит определенное изменение кинетическо-го момента (момента количества движения) .

Таким образом, к ранее рассмотренным кинематическим мерам изменения движения (скорости и ускорению) добавляют-ся динамические меры изменения движения (количество движе-ния и кинетический момент) . Совместно с мерами действия сил они отражают взаимосвязь сил и движения. Изучение их помога-ет понять физические основы двигательных действий человека.

Энергетические характеристики. При движениях че-ловека силы, приложенные к его телу на некотором пути, со-вершают работу и изменяют положение и скорость звеньев тела, что изменяет его энергию. Работа характеризует процесс, при котором меняется энергия системы. Энергия же ха-рактеризует состояние системы, изменяющейся вследствие работы. Энергетические характеристики показывают, как ме-няются виды энергии при движениях и протекает сам про-цесс изменения энергии.

Работа силы - это мера действия силы на тело при некотором его перемещении под действием этой силы. Она равна произведению модуля силы и перемещения точки при-ложения силы.

Если сила направлена в сторону движения (или под ост-рым углом к этому направлению) , то она совершает положи-тельную работу, увеличивая энергию движения тела. Когда же сила направлена навстречу движению (или под тупым углом к его направлению) , то работа силы отрицательная и энергия движения тела уменьшается.

Работа момента силы - это мера воздействия момента силы на тело на данном пути (во вращательном движении) . Она равна произведению модуля момента силы и угла поворота.

Понятие работы представляет собой меру внешних воз-действий, приложенных к телу на определенном пути, вызы-вающих изменения механического состояния тела.

Энергия - это запас работоспособности системы. Ме-ханическая энергия определяется скоростями движений тел в системе и их взаимным расположением; значит, это энер-гия перемещения и взаимодействия.

Кинетическая энергия тела - это энергия его механи-ческого движения, определяющая возможность совершить работу. При поступательном движении она измеряется по-ловиной произведения массы тела на квадрат его скорости, при вращательном движении половиной произведения момен-та инерции на квадрат его угловой скорости.

Потенциальная энергия тела -это энергия его поло-жения, обусловленная взаимным относительным расположе-нием тел или частей одного и того же тела и характером их взаимодействия. Потенциальная энергия в поле сил тя-жести определяется произведением силы тяжести на раз-ность уровней начального и конечного положения над землей (относительно которого определяется энергия) .

Энергия как мера движения материи переходит из одно-го вида в другой. Так, химическая энергия в мышцах превра-щается в механическую (внутреннюю потенциальную упруго-деформированных мышц). Порожденная последней сила тяги мышц совершает работу и преобразует потенциальную энер-гию в кинетическую энергию движущихся звеньев тела и вне-шних тел. Механическая энергия внешних тел (кинетичес-кая) , передаваясь при их действии на тело человека его звень-ям, преобразуется в потенциальную энергию растягиваемых мышц-антаганистов и в рассеивающуюся тепловую энергию.

4 . Распределение масс частей тела

От распределения масс частей тела зависят многие сопро-тивления, которые встречают силы, действующие на тело. Эти сопротивления определяются силами тяжести и моментами инерции частей тела.

Наиболее общим показателем распределения масс в теле служит общий центр тяжести тела (ОЦТ) . Как известно, центром тяжести называется точка тела, к которой как бы приложена равнодействующая всех сил тяжести тела . Во все стороны от этой точки, по любому направлению, моменты сил тяжести взаимно уравновешиваются. Равнодействующая параллельных сил, действующих на все частицы тела в любом направлении, приложена к ОЦТ; поэтому в этом случае ОЦТ называют еще центром массы, или центром инерции.

Расположение ОЦТ необходимо знать при изучении ста-тики для оценки условий равновесия тела. Путь движения -траектория ОЦТ - во многих случаях дает ценные сведения об особенностях движения тела, так как отражает действие внешних сил на тело. ОЦТ не может перемещаться иначе как под действием внешних сил. Одни внутренние силы никогда не могут изменить положение и путь ОЦТ в пространстве.

Общий центр тяжести тела располагается в зависимости от телосложения человека. У людей с более развитыми нога-ми ОЦТ относительно ниже, чем у людей с более мощной мускулатурой туловища и рук. У длинноногих людей ОЦТ анатомически расположен ниже, но он дальше от земли, чем у коротконогих.

В симметричных положениях человека, стоящего с опу-щенными руками, ОЦТ находится на уровне от первого до пятого крестцового позвонка (по Иваницкому) , примерно на 4-5 см выше поперечной оси тазобедренных суставов. Пере-днезадняя плоскость, проходящая через ОЦТ, делит тело по-чти симметрично. Она несколько смещена вправо от средин-ной плоскости, так как правая половина тела человека тяжелее левой на 400-500 г, в связи с несимметричным располо-жением внутренних органов и неравномерным развитием двигательного аппарата. У правшей правая половина тела развита лучше и имеет большую массу. В переднезаднем на-правлении ОЦТ располагается между крестцом и лобком в зависимости от положения тела при стоянии.

Само собой разумеется, что с изменением формы тела, вслед-ствие иного расположения его частей, изменяет свое положе-ние и ОЦТ. При перемещении какой-либо части тела и ОЦТ смешается в том же направлении. Если переметающаяся часть тела имеет большую массу, то и смещение ОЦТ больше.

Массы частей тела определяли путем распила заморо-женных трупов, а также путем измерения объема частей тела и уравновешивания живых людей в различных позах. Сред-ние данные, полученные этими различными методами, оказа-лись близкими друг к другу. Так, если вес тела человека при-нять за 100%, то вес головы составит 7%; туловища - 43%; бедра - 12%; голени - 5%; стопы - 2%; плеча - 3%; пред-плечья - 2% и кисти 1%.

Если средние данные более или менее близки, то данные отдельных людей могут значительно отличаться от этих сред-них в зависимости от телосложения.

Массы отдельных частей тела не остаются постоянными. В связи с тренировкой здесь могут происходить немалые из-менения. У спортсменов меньше отложения жира на тулови-ще и лучше развиты мышцы конечностей. Поэтому у них соотношение масс может быть иное, чем у людей, не занимаю-щихся спортом.

Массы тела могут также изменяться и в течение корот-ких промежутков времени. Например, прием пищи и воды может увеличить массу туловища; после разминки или со-ревнований прилив крови в расширенные сосуды мышц мо-жет увеличить массу конечностей.

Таким образом, относительные массы частей тела человека в конкретных случаях могут намного отличаться от точно вы-численных средних данных. Поэтому нет необходимости в очень большой точности при расчетах, производимых с практической целью. Вполне достаточно эти величины в процентах округ-лить, так как индивидуальные отклонения от них могут быть намного больше, чем на сотые и десятые доли процента.

Для положения ОЦТ имеет значение не только масса ча-стей тела, но и ее распределение в каждой части тела. Показателями этого служат центры тяжести частей тела. Центры тяжести длинных частей тела лежат приблизительно на их продольной оси, ближе к проксимальному сочленению. Так, расстояние от проксимального сочленения до центра тяжес-ти (радиус центра тяжести) составляет для бедра 0,44 его дли-ны, для голени 0,42, для плеча 0,47 и для предплечья 0,42. Такое распределение масс обусловлено большой массой мышц, окружающих проксимальные сочленения, особенно для бедра, голени и предплечья. Предплечья и голени имеют мышцы с отчетливо выраженным брюшком и тонким сухожилием. А на бедре в области тазобедренного сустава есть большие мас-сы коротких мышц - ягодичные, приводящие, запирательные и др. Этими особенностями и определяется неравномерное распределение масс в этих частях тела.

Строго говоря, при изменении напряжения мышц и их кро-венаполнения распределение масс в конечностях также несколь-ко изменяется. Но значительно больше оно изменяется у туло-вища, способного очень сильно изменять свою форму.

Принято считать, что центр тяжести туловища распола-гается на линии, соединяющей середины поперечных осей, про-веденных через центры плечевых и тазобедренных суставов. Эту линию центр тяжести туловища делит на отрезки, отно-сящиеся друг к другу как 4: 5, считая от головного конца. По сути дела, туловище - не отдельное звено, а система звеньев, обладающая большой подвижностью. Кроме того, надо учи-тывать изменение распределения масс туловища при вдохе, когда внутренние органы брюшной полости оттесняются вниз, а грудная клетка, наполненная воздухом, имеет меньший удельный вес. При некоторых положениях отдельные органы брюшной полости могут смещаться на значительное расстоя-ние (до 20 см) (Джафаров) .

Значит, при всех расчетах положения ОЦТ имеются очень большие погрешности, связанные с тем, что подвижно соеди-ненные части тела и части тела, в которых изменяется рас-пределение масс, принимаются за неизменяемые тела. Лишь у головы расположение центра тяжести сзади турецкого сед-ла клиновидной кости довольно постоянно, но и оно может измениться при движениях нижней челюсти.

Расположение ОЦТ обусловлено половыми и возрастны-ми особенностями. У детей, имеющих большую массу тулови-ща и головы, ОЦТ располагается выше, чем у взрослых. У женщин, в связи с присущей им пропорцией тела, в частности с более массивным тазовым поясом, ОЦТ располагается ниже, чем у мужчин.

Для определения действия сил окружающей среды при изучении движений человека в водной среде, а также в полете в воздухе с большой скоростью необходимо знать расположе-ние центра объема (ЦО) и центра поверхности (ЦП) .

Центр объема тела расположен в точке пересечения плос-костей, делящих тело на две равные по объему половины. С погружением в воду на тело действуют силы давления воды. Точка приложения равнодействующей всех сил давления воды на поверхность тела и называется центром объема тела. ЦО можно рассматривать так же, как ОЦТ объема воды, вытес-ненной погружением тела человека в воду и имеющей форму погруженных частей тела.

В то же время на тело действуют силы тяжести, равно-действующая которых приложена к ОЦТ. Когда ЦО и ОЦТ расположены на одной вертикали, тогда, в зависимости от со-отношения величин сил тяжести и давления воды, тело либо всплывает, либо тонет, либо остается неподвижным в воде. Если ЦО и ОЦТ находятся не на одной вертикали, то еще возникает пара сил, вызывающих вращение тела.

У человека ЦО расположен несколько выше его ОЦТ. Это объясняется тем, что содержащийся в грудной клетке воз-дух делает верхнюю половину тела более легкой, поэтому ОЦТ смещен несколько в сторону ног. В связи с этим человек при покойном положении на воде во время вдоха начинает пово-рачиваться, опускаясь ногами вниз. Если руки сместить в сто-рону головы, то можно совместить ЦО и линию тяжести; тог-да тело уравновесится.

По данным Иваницкого, ЦО расположен выше ОЦТ на 2-6 см, в зависимости от особенностей телосложения. Есте-ственно, что с изменением позы тела изменяется и располо-жение ЦО.

Во время движения человека со значительной скоростью через воздушную среду силы сопротивления воздушной среды зависят от площади лобовой поверхности тела. Равнодейству-ющая всех сил сопротивления среды приложена к центру по-верхности. Граница поверхности сопротивления определяется по проекции границы тела на плоскость, перпендикулярную направлению движения тела относительно среды.

У тела человека, стоящего в выпрямленном положении, ЦП тела при движении в переднезаднем направлении распо-лагается выше ОЦТ.

В безопорном положении при движении в воздухе, на-пример при прыжках на лыжах с трамплина, изменение позы вызывает изменения и лобовой поверхности тела (вместе с лыжами) , а следовательно, и ЦП. Когда ЦП ниже ОЦТ, лыж-ник вращается головой вперед. Если ЦП оказывается выше ОЦТ, то тело получает вращение головой назад. При располо-жении ОЦТ и ЦП на одной линии, параллельной направле-нию полета, вращения не возникает.

Контрольные вопросы

1. Для чего определяются характеристики движений че-ловека?

2. В чем различие кинематических и двигательных ха-рактеристик?

3. Зачем нужно выбирать систему отсчета и как ею пользо-ваться?

4. Дайте определение основных пространственных и вре-менных характеристик движений, скорости и ускорения то-чек тела и звеньев тела.

5. Что является мерой инертности тела при поступатель-ном и вращательном движении?

6. Что является причиной изменения движения? Какие характеристики относятся к силовым?

7. Раскройте энергетические характеристики.

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.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Биомеханика

В а масленников.. биомеханика дисциплина для специальности физическая..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Биомеханика
Курс лекций Дисциплина для специальности 50720 - «Физическая культура» ВЕЛИКИЙ НОВГОРОД 2008 &

Биомеханика как учебная и научная дисциплина
1.Движение как форма бытия материи2.Предмет биомеханики 3. Задачи биомеханики 4. Содержание биомеханики Биологическая механика как наука о механическом движении в биологических сист

Движение есть форма существования материи
Все в мире движется. В движении находятся звездные миры, наша Земля, человек, части его тела, молекулы его клеток, атомы, их эле­ментарные частицы; одной из форм движения материи является мыш­ление

Соответственно многообразию мира существует и многообразие движения - различные формы движения материи
Ф. Энгельс различал более простые формы движения материи - механическую, физическую и химическую, которые проявляются как в неживой, так и в живой природе, и более сложные, высшие, формы движения -

Движения человека
Движения человека представляют собою механическое переме­щение живого организма. Движения человека - одно из сложнейших явлений в мире.Онисложны не только потому, что в ег

Предмет биомеханики
Предмет любой науки, в том числе и биомеханики, определяется спе­цифическим объектом познания - кругом явлений и процессов, зако­номерности которых изучает та или иная наука. В этом объектекаждая и

Область изучения
Область изучения биомеханики - механические и биологические причины возникновения движений и особенности их выполнения. Движения частей тела человека представляют с

Частные задачи биомеханики
Частные задачи биомеханики состоят в изучении движений человека в двигательной деятельности и изучении приводимых им в движение физических объектов, а также в изучении резуль­татов решения

Теория биомеханики
В теории биомеханики рассматриваются: строение и свойства, а также развитие тела человека как биомеханической системы; эффективность двигательных действий как систем движений; формирование

Метод биомеханики
Метод биомеханики - системный анализ и синтез движений на основе количественных характеристик, в частности кибернетиче­ское моделирование движений. Метод науки - это спосо

Связи биомеханики с другими науками
Биомеханика как раздел биофизики зародилась в связи с развитием физических и биологических наук. В настоящее время успехи этих наук так или иначе сказываются на развитии биомеханик

Развитие физических знаний
Физика - наука о закономерностях наиболее общих форм движе­ния материи - возникла и достигла высокого уровня развития раньше, чем биология - наука о закономерностях жизни и развития живых организмо

Биологические предпосылки биомеханики
Познания людей о строении тела начали накапливаться с древней­ших времен. К концу XVIII в. анатомия уже была сложившейся об­ластью научного знания. От нее стали отделяться другие о

Механические устройства
Повышение интереса к движениям человека в связи с бурным раз­витием естествознания и промышленности способствовало использо­ванию методов механики при изучении двигательной деятельности. В первую о

Светохимичесная регистрация
Большую роль в изучении движений сыграло открытие фотогра­фии. Вначале успешно делали только моментальные одиночныеснимки движений. Затем Э. Майбридж (1877 г.) получил последова­те

Электротехническая аппаратура
Возможности современной электротехники (в широком смысле слова, включая электронику) очень велики, однако для нужд биомеханики они используются еще относительно мало. Первым на этом пути в

Механическое направление
Механический подход к изучению движений человека позволяет определить количественную меру двигательных процессов, объяс­нить физическую сущность механических явлений, раскрывает огромную сл

Функционально-Анатомичесное направление
Функционально-анатомический подход характеризуется преиму­щественно описательным анализом движений в суставах, опреде­лением участия мышц при сохранении положений тела и в его движениях.

Системно-структурный подход
Системно-структурный подход в биомеханике характеризуется изучением состава и структуры систем как в двигательном аппа­рате, так и в его функциях. Этот подход в известной мере объеди

Теоретические основы
В процессе длительного развития биомеханики сложились ее совре­менные теоретические основы: признание рефлекторной природы систем движений при сложном сочетании произвольного и автоматического упра

Методики исследования
Биомеханическое исследование требует совместного изучения меха­нических и биологических сторон движений с возможно более точной количественной мерой и вскрытием взаимосвязей в сист

Практическое применение
Области двигательной деятельности человека, где используются методы современной биомеханики, обширны. В первую очередь они используются там, где оценка эффективности движений наиболее важна

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

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 расчлен

Краткие данные о центре тяжести тела человека
Функция нижних конечностей человека, если исключить многие физические упражнения, определяется главным образом опорой (положение стоя) и локомоцией (ходьба, бег). И в том, и в другом случае на функ

Организм, орган, система органов, ткани
Организмом называется всякое живое существо, основными свойствами которого являются: постоянный обмен веществ и энер­гии (внутри себя и с окружающей средой); с

Клетки и ткани организма. Строение и функция тканей
Живой организм - сложная, постоянно изменяющаяся, разви­вающаяся целостная система, находящаяся в постоянной связи с внешней средой и образующая с ней неразрывное единство. Орга­низм состоит из кле

Спинной мозг. Позвоночник
Спинной мозг участвует в осуществлении всех сложных двига­тельных реакций организма. Он получает импульсы от экстеро-рецепторов кожной поверхности, проприорецепторов и висцерорецепторов туловища и

Механизм движений туловища и головы
Основная функция мышечного аппарата туловища и головы за­ключается в удержании тела в состоянии равновесия, в обеспече­нии подвижности (сгибание, разгибание, боковые наклоны, круго­вые вращения) по

Движения позвоночного столба и головы
Движения позвоночного столба подобны изменениям положения и формы упругого стержня, укрепленного на штативе. Вме­сте с тем здесь все движения как бы контролируются и направляют­ся его суставами, а

Механизм движений верхней конечности
Верхние конечности являются самыми подвижными звеньями аппарата движения тела человека. Наряду с этим они приспособ­лены к значительным силовым нагрузкам.

Некоторые данные о конституции человека
Классификация типов конституции человека основывается на различных принципах: морфологических, функциональных, био­химических, нейрореактивных, гормональных и др. Астенический т

Нервная регуляция позы и движений
Нервная регуляция работы скелетных мышц осуществляется двигательными центрами ЦНС. Они должны гарантировать стро­го необходимую степень возбуждения и торможения иннервирующих эти мышцы мотонейронов

Функциональный анализ положения человека в позе стоя
Опорная роль нижних конечностей наиболее велика при раз­личных формах позы стоя. Различают позу стоя (стойку) симмет­ричную, при которой тяжесть тела распределяется равномерно на обе нижние конечно

А - нормальная; б - сутуловатая; в - лордотическая; г - кифотическая
д - выпрямленная (плоская) Напряжение (тонус) мышц в спокойном состоянии невелико. Момент силы тяжести головы способствует ее наклону вперед, этому противодействует на

Тело человека как биомеханическая система
1. Механические свойства звеньев и их соединений 2. Соединения звеньев 3. Звенья как рычаги 4.Биомеханические свойства мышц 5. Механическое действие мышц 6.Групповые взаимодейств

Виды нагрузок и характер их действия
Силы, приложенные к телу и в совокупности вызывающиеегодеформации2, называются нагрузками. (Деформация - изменение формы и размеров.) К основным

Упругие деформации
Упругие деформации возникают в теле под действием нагрузки и исчезают при ее снятии. Изменение формы (деформация) тел под действием приложенных к ним сил - свойство

Соединения звеньев
Соединения звеньев в биокинематических цепях обусловливают многообразие возможностей движении. От способа соединения и уча­стия мышц в движениях зависит их направление и размах (простран­ственная.

Кинематические цепи
Кинематическая цепь - это последовательное или разветвленное соединение ряда кинематических пар.Кинематическую цепь, в которой конечное звено свободно, называют незамкнутой, а цепь, в ко

Степени свободы движений
Число степеней свободы движений соответствует количеству возможных независимых линейных и угловых перемещений тела. Тело, ничем не ограниченное в движениях

Геометрия движений
Число основных осей сустава соответствует количеству степеней свободы движений одного звена относительно другого. Плоскость движения перпендикулярна оси вращения и характеризует на­правлени

Звенья как рычаги
Скелет, составленный из подвижно соединенных костей, представ­ляет собой твердую основу биокинематических цепей. Звенья цепей с приложенными к ним силами (мышечной тяги и др.) в биомеханике рассмат

Для ускорения рычага - неравенство этих моментов сил
В результате действия противоположных сил звено как рычаг мо­жет: а) сохранять положение или продолжать движение с прежней скоростью и б) получить ускорение в сторону той или иной силы. Эффект совм

Работа, совершаемая силою, приложенной на одном плече рычага, передается на другое плечо
Сила тяги мышцы, приложенная на коротком плече рычага, вызы­вает во столько раз большее смещение другого плеча, во сколько первое плечо короче второго; налицо выигрыш в пути. В связи с тем, что раз

Механические свойства мышц
Упругость проявляется в возникновении напряжения в мышце при ее деформации под действием нагрузки. Вязкость- в замед­лении деформации внутренними силами

Режимы работы мышц
Режим работы мышцы определяется изменением либо еедлины,либо ее напряжения, либо того и другого одновременно. Возбудимость

Величина и направление тяги мышцы
Тяга мышцы зависит от совокупности механических, анатомиче­ских и физиологических условий. К механическим условиям относится нагрузка - как растяги­вающая мышцу, та

Результат тяги мышцы
Результат приложения тяги мышцы в кинематической цепи зави­сит от: а) закрепления звеньев; б) соотношения сил, вызываю­щих движение, и сил сопротивления, в) начальных условий вра­щения.

Виды и разновидности работы мыши,
В зависимости от изменения длины мышцы различают следующие виды ее работы: а) статическая (изометрический режим)- длина мышцы не изменяется, б) динамическая - мышца либо укорачивается (п

Групповые взаимодействия мышц
Мышцы, влияющие на движения биокинематических цепей, как правило, функционируют не изолированно, а группами. Взаимодейст­вие осуществляется между мышцами внутри групп, а также между группами мышц.

Взаимодействующие группы мышц
Мышцы, окружающие сустав, при движении разделяются на функциональные группы: а) синергисты (совместного действия), выполняющие преодолевающую работу, и б) их антагонисты2

Взаимодействие групп мышц при разных сопротивлениях
Напряжение синергистов при разных сопротивлениях изменяется соответственно изменению сопротивления, антагонисты же на­прягаются преимущественно при уменьшающемся сопротивлении (силы инер

Перераспределение напряжений мышц
Моменты включения мышцы в работу и выключения из нее опре­деляются зоной ее активности и оптимальной зоной, что приводит по ходу движения к постоянному изменению тяги мышц - пере­распределе

Выбор тела отсчета
Телом отсчета называют условно выбранное тело, от которого отсчитывают расстояние при определении изучаемого относитель­ного движения. Движение выражается в изменен

Начало и направление отсчета расстояния
На теле отсчета устанавливают начало и направление измерения расстояния. Физические тела, в том числе и тело человека,в некоторых случаяхможно рассматривать как материальные точки.

Единицы отсчета расстояния
В зависимости от выбранного способа отсчета устанавливаются единицы отсчета расстояния - линейные и угловые. Линейные единицы. Чаще всего испол

Начало и единицы отсчета времени
Кроме протяженности движения (в пространстве) необходимо изме­рять его длительность (во времени). В обычных условиях жизни в сут­ках приняты два начала отсчета времени (полночь и п

Координаты точки, тела и системы
Координата - это пространственная мера местоположения точки относительно системы отсчета. Местоположение точки обычно определяют по ее линейным координатам: .

Перемещение точки, тела и системы
Перемещение точки - это пространственная мера изменения местоположения точки в данной системе отсчета. Перемещение (линейное) измеряется разностью координат в моменты начала и окончания

Траектория точна
Траектория точки - это пространственная мера движения (вооб­ражаемый след движения точки)1. Измеряют длину и кривизну траектории и определяют ее ориентацию в пространстве.

Момент времени
Момент времени (или мгновение) - это временная мера положе­ния точки, тела и системы в начале, в ходе движения и в конце. Момент времени определяется промежутком времени до него от начала о

Длительность движения
Длительность движения - это его временная мера. Она изме­ряется разностью моментов времени окончания и начала движения в неизменной системе отсчета. Отвечая на вопр

Ритм движений
Ритм движений - это временная мера соотношения частей дви­жений. Он определяется по соотношению промежутков времени, затраченного на соответствующие части движения:

Скорость точки и тела
Скорость точки1-это пространственно-временная мера дви­жения. Она определяет быстроту изменения положения точки в пространстве с изменением времени. Скорость измеряется отношением ве

Ускорение точки и тела
Ускорение точки - это пространственно-временная мера изме­нения движения. Она характеризует быстроту и направление изменения вектора скорости точки в данный момент времени. Ускорение изм

Составное движение и его составляющие
В биомеханике удобно условно различать: а) составное движение как результат движения нескольких связанных друг с другом тел и б) сложное движение одного тела (одновременно поступательное и

Сложение скоростей и ускорений в составном движении
Результирующая угловая скорость двух вращательных движений (переносного и относительного) вокруг параллельных осей равна их сумме, если вращения направлены в одну сторону, и разно­сти - есл

Понятие об инертности
Инертность (или инерция1) - свойство физических тел, прояв­ляющееся в сохранении движения, а также изменении его под действием сил. Физическое тело, взаимодействуя

Масса тела
Масса - это мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется при движении материальной точки и поступа­тельном движении тела или системы тел отношением величины приложенн

Момент инерции тела
Момент инерции - это мера инертности тела относительно оси при вращательном движении (реальном или воображаемом) вокруг этой оси3. Момент инерции количественно равен сумме моментов инерц

Момент силы
Момент силы - это мера механического воздействия, способ­ного поворачивать тело (мера вращающего действия силы). Он численно определяется произведением модуля силы на ее плечо (расстояни

Сила, приложенная к телу, если она не уравновешена, изменяет его движение2
Меры действия силы могут быть определены: а) с учетом промежутка времени ее действия - импульс силы - или б) с учетом пути ее действия - работа силы. Обе эти меры как бы взаимно до­полняют д

Внешние относительно системы силы
Для того чтобы отнести силы к внешним или внутренним, надо установить прежде всего, относительно какой системы объектов эти силы рассматриваются. В биомеханике такой системой, естественно, считают

Объектов окружающей среды
Внешние силы обладают особенностями, значение которых важно для понимания динамики. Они могут быть мысленно приложены к цент­ру тяжести системы как изменяющие его движение, могут изменять и ее кине

Сила тяжести и вес
Сила тяжести тела - это мера притяжения тела к Земле с учетом уменьшения силы притяжения вследствие суточного вращения Земли. Сила тяжести тела равна геометрической (векторной) сумме гравит

Силы сопротивления среды
Давление в газе или жидкости - это мера силы механического воздействия между элементами данной среды и элементами среды и другими телами. Оно равняется отношению силы к той площади, чере

Реакции опоры
Реакции опоры - это мера противодействия опоры при давлении на нее со стороны покоящегося или движущегося при контакте с ней тела. Реакция опоры равна по величине силе, с которой те­ло дейс

Силы трения
Сила трения - это мера противодействия движению, направлен­ному по касательной к поверхности прикасающегося тела. Вели­чина силы трения (как составляющей реакции поверхности связи) зависит

Силы упругой деформации
Сила упругой деформации - это мера действия деформированного тела на другие тела, с которыми оно соприкасается. Величина и направление упругих сил зависят от упругих свойств деформи­рованно

Внутренние силы механической системы - мера взаимодействия входящих в нее тел
Внутренние силы нельзя мысленно рассматривать как приложен­ные к центру тяжести системы. Они не могут сами по себе изменять движение ОЦТ системы и ее кинетический момент. Внутренние силы о

Силы мышечной тяги
Силы мышечной тяги приложены к звеньям кинематических це­пей внутри тела. Мышцы в своей активности всегда объединены в груп­пы. Силы тяги каждой мышцы изменяются. Поэтому изменяются и тяги отдельно

Силы пассивного противодействия
Силы пассивного противодействия включают: опорные реакции в суставах и местах прикрепления мышц и связок, силы сухого и жидкостного трения, силы инерции при ускорениях звеньев, органов и тк

Различают внешнее силовое поле как совокупность всех внешних для человека сил и внутреннее - как совокупность внутренних сил
Внешнее силовое поле проявляется как силы сопротивления. Их работа отрицательная; для ее пре­одоления затрачивается энергия движения и напряжения мышц чело­века. Различают рабоч

Совместное действие сил
Внешние и внутренние относительно тела человека силы дейст­вуют на него совместно. Все эти силы независимо от их источника дей­ствуют как механические силы, изменяя механическое движение. В этом см

Двигательных качеств
Каждый человек владеет определенными двигательными навы­ками, например, может поднять определенный вес, пробежать или прыгнуть и т. п., но возможности у всех различны. Это связано и с возрастом, и

Характеристика двигательных (локомоторных) качеств
К основным двигательным качествам относятся: сила, быстрота, выносливость, гибкость и ловкость. А.А. Тер-Ованесян к назван­ным качествам добавляет: устойчивость равн

Сила. Силовые качества
Сила – это способность, определяемая максимальной величиной мышечных усилий. Сила, развиваемая мышцей или пучком мышечных волокон, со­ответствует сумме сил отдельны

Развитие силы и ее измерение
Силу мышц измеряют с помощью различных приборов (динамометры и др.). А. Беком определена «удельная сила мышцы» (табл. 14.1). Таблица 14.1. Удельная сила различных мышц

Методика развития (тренировка) силы мышц
Сила мышц снижается после продолжительной интенсивной мышечной работы, на нее влияет характер выполняемой работы, уровень тренированности мышц. Развитие силы мышц достигается при тренировк

По горизонтали - суставной угол; по вертикали - сила (в фунтах)
т. е. когда мышцы напрягаются в растянутом состоянии. Вследствие усиле­ния потока проприоцептивных импульсов такое положение тела вызовет увеличение рефлекторной стимуляции и тем усилит воз­действи

Скорость двигательной реакции
Быстрота зависит от скорости мышечного сокращения, мощности мобилизации химической энергии в мышечном волокне и в превра­щении ее в механическую энергию сокращения. Наибольший эффект в раз

Развитие ловкости
Ловкость - это способность быстро овладевать новыми движениями и перестраивать двигательную деятельность в соответствии с требованиями внезапно меняю­щейся обстановки. Крите

Развитие гибкости
Гибкость, или подвижность в суставах - важный компонент физической подготовленности во многих ви­дах спорта и особенно в спортивной гимнастике, акробатике и дру­гих видах спорта. Гибкост

Биомеханика - наука, которая изучает механическое движение в животных организмах, его причины и проявления
Атрибут (от лат. «аттрибу» - придаю, наделяю) - неотъемлемое свойство предмета, без которого он не может ни существовать, ни мыслиться. 2 Ф. Энгел

1. Предмет 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, восприятие и анализ внешнего и внутреннего мира – все это различные формы движения материи. Закономерности механического движения изучаются механикой. Предметом механики как науки является изучение изменений пространственного расположения тел и тех причин, или сил, которые вызывают эти изменения. Биомеханика – наука о законах механического движения в живых системах. Она изучает движения с точки зрения законов механики, свойственных всем без исключения механическим движениям материальных тел. Объект познания биомеханики – двигательные действия человека как системы взаимно связанных активных движений и положений его тела. Область изучения биомеханики – механические и биологические причины возникновения движений, особенности их выполнения в различных условиях. Общая задача изучения движений состоит в оценке эффективности приложения сил для достижения поставленной цели.

2. Задачи биомеханики спорта

Общая задача изучения движений человека в биомеханике спорта – оценка эффективности приложения сил для более совершенного достижения поставленной цели.

Изучение движений в биомеханике спорта в конечном счете направлено на то, чтобы найти совершенные способы двигательных действий и научить лучше их исполнять. Поэтому оно имеет ярко выраженную педагогическую направленность.

Частные задачи биомеханики спорта состоят в изучении следующих основных вопросов:

а) строение, свойства и двигательные функции тела спортсмена;

б) рациональная спортивная техника и

в) техническое совершенствование спортсмена.

Поскольку особенности движений зависят от объекта движений – тела человека, в биомеханике спорта изучают (с точки зрения биомеханики) строение опорно-двигательного аппарата, его механические свойства и функции (включая показатели двигательных качеств) с учетом возрастных и половых особенностей, влияния уровня тренированности и т.п. Короче говоря, первая группа задач – изучение самих спортсменов, их особенностей и возможностей.

Чтобы эффективно выступать на соревнованиях, спортсмен должен владеть наиболее рациональной для него техникой. От того, из каких движений и как построены двигательные действия, зависит их совершенство. Поэтому в биомеханике спорта детально исследуют особенности различных групп движений и возможности их совершенствования. Изучают ныне существующую спортивную технику, а также разрабатывают новую, более рациональную.

Данные об изменениях спортивной техники в процессе тренировки позволяют разрабатывать основу методики технического совершенствования спортсмена. Исходя из особенностей рациональной техники, определяют рациональные пути ее построения, средства и методы повышения спортивно-технического мастерства.

Таким образом, биомеханическое обоснование технической подготовки спортсменов подразумевает: определение особенностей и уровня подготовленности тренирующихся, планирование рациональной спортивной техники, подбор вспомогательных упражнений и «создание тренажеров для специальной физической и технической подготовки, оценку применяемых методов тренировки и контроль за их эффективностью.

3. Временные характеристики

Временные характеристики раскрывают движение во времени: когда оно началось и закончилось (момент времени), как долго длилось (длительность движения), как часто выполнялось движение (темп), как они были построены во времени (ритм). Вместе с пространственно-временными характеристиками они определяют характер движений человека.

Момент времени – это временная мера положения точки тела и системы. Момент времени (t) определяют промежутком времени до него от начала отсчета: [t] = Т.

Момент времени определяют не только для начала и окончания движения, но и для других важных мгновенных положений. В первую очередь это моменты существенного изменения движения: заканчивается одна часть (фаза) движения и начинается следующая (например, отрыв стопы от опоры в беге – это момент окончания фазы отталкивания и начала фазы полета). По моментам времени определяют длительность движения.

Длительность движения – это его временная мера, которая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения.

Темп движений – это временная мера их повторности. Он измеряется количеством движений, повторяющихся в единицу времени (частота движений):

Темп – величина, обратная длительности движений. Чем больше длительность каждого движения, тем меньше темп, и наоборот. В повторяющихся (циклических) движениях темп может служить показателем совершенства техники.

Ритм движений (временной) – это временная мера соотношения частей движений. Он определяется по соотношению длительности частей движения:

Ритм движений характеризует, например, отношение времени опоры к времени полета в беге или времени амортизации (сгибания колена) к времени отталкивания (выпрямления ноги) при опоре.

4. Пространственно-временные характеристики движения

По пространственно-временным характеристикам определяют, как изменяются положения и движения человека во времени, как быстро человек изменяет свои положения (скорость) и движения (ускорение).

Скорость точки – это пространственно-временная мера движения точки (быстроты изменения ее положения). Скорость равна первой производной по времени от расстояния в рассматриваемой системе отсчета:

Скорость точки определяется по изменению ее координат во времени. Скорость – величина векторная, она характеризует быстроту движения и его направление. Так как скорость движений человека чаще всего не постоянная, а переменная (движение неравномерное и криволинейное), для разбора упражнений определяют мгновенные скорости.

Ускорение точки – это пространственно-временная мера изменения движения точки (быстрота изменения движения – по величине и направлению скорости). Ускорение точки равно первой производной по времени от скорости этой точки в рассматриваемой системе отсчета:

Ускорение точки определяется по изменению ее скорости во времени. Ускорение – величина векторная, характеризующая быстроту изменения скорости по ее величине и направлению в данный момент.

5. Инерционные характеристики

Свойство инертности тел раскрывается в первом законе Ньютона:

«Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы, не изменят это состояние».

Иначе говоря, всякое тело сохраняет скорость, пока ее не изменяв силы.

Понятие об инертности:

Любые тела сохраняют скорость неизменной при отсутствии внешних воздействий одинаково. Это свойство, не имеющее меры, и предлагается называть инерцией 1. Разные тела изменяют скорость под действием сил по-разному. Это их свойство, следовательно, имеет меру: его называют инертностью. Именно инертность и представляет интерес, когда надо оценить, как изменяется скорость.

Инертность – свойство физических тел, проявляющееся в постепенном изменении скорости с течением времени под действием сил.

Сохранение скорости неизменной (движение как бы по инерции) в реальных условиях возможно только тогда, когда все внешние силы, приложенные к телу, взаимно уравновешены. В остальных случаях неуравновешенные внешние силы изменяют скорость тела в соответствии с мерой его инертности. Момент инерции тела – это мера инертности тела при вращательном движении. Момент инерции тела относительно оси равен сумме произведений масс всех материальных точек тела на квадраты их расстояний от данной оси

Радиус инерции тела – это сравнительная мера инертности данного тела относительно его разных осей. Он измеряется корнем квадратным из отношения момента инерции (относительно данной оси) к массе тела:

6. Звенья тела как рычаги и маятники

Точки соединения, которые можно рассматривать либо как точки опоры (для рычага), либо как точки отвеса (для маятника).

Рычаг характеризуется расстоянием между точкой приложения силы и точкой вращения. Рычаги бывают первого и второго рода.

Рычаг первого рода или рычаг равновесия состоит только из одного звена. Пример – крепление черепа к позвоночнику.

Рычаг второго рода характеризуется наличием двух звеньев. Условно можно выделить рычаг скорости и рычаг силы в зависимости от того, что преобладает в их действиях. Рычаг скорости дает выигрыш в скорости при совершенствовании работы. Пример – локтевой сустав с грузом на ладони. Рычаг силы дает выигрыш в силе. Пример – стопа на пальцах.

Поскольку тело человека выполняет свои движения в трехмерном пространстве, то его звенья характеризуются степенями свободы, т.е. возможностью совершать поступательные и вращательные движения во всех измерениях. Если звено закреплено в одной точке, то оно способно совершать вращательные движения и мы можем сказать, что оно имеет три степени свободы.

Закрепление звена приводит к образованию связи, т.е. связанному движению закрепленного звена с точкой закрепления. Поскольку руки и ноги человека могут совершать колебательные движения, то к механике их движения применимы те же формулы, что и для простых механических маятников. Основные вывод их них – собственная частота колебаний не зависит от массы качающегося тела, но зависит от его длины (при увеличении длины частота колебаний уменьшается).

Делая частоту шагов при ходьбе или беге или гребков при плавании или гребле резонансной (т.е. близкой к собственной частоте колебаний руки или ноги), удается минимизировать затраты энергии. При наиболее экономичном сочетании частоты и длины шагов или гребков человек демонстрирует существенный рост работоспособности. Простой пример: при беге высокий спортсмен имеет большую длину шага и меньшую частоту шагов, чем более низкорослый спортсмен, при равной с ним скорости передвижения.

7. Механические свойства мышц

Двигательная деятельность человека происходит при помощи мышечной ткани, обладающей сократительными структурами. Работа мышц осуществляется благодаря сокращению (укорачиванию с утолщением) миофибрилл, которые находятся в мышечных клетках. Работа мышц осуществляется посредством их присоединения к скелету при помощи сухожилий.

К биомеханическим свойствам мышц относят сократимость, упругость, жесткость, прочность и релаксацию.

Сократимость – это способность мышцы сокращаться при возбуждении. В результате сокращения происходит укорочение мышцы и возникает сила тяги.

Упругость мышцы состоит в ее способности восстанавливать первоначальную длину после устранения деформирующей силы. Существование упругих свойств объясняется тем, что при растяжении в мышце возникает энергия упругой деформации. При этом мышцу можно сравнить с пружиной: чем сильнее растянута пружина, тем большая энергия в ней запасена. Это явление широко используется в спорте. Например, в хлесте предварительно растягиваются и параллельный, и последовательный упругий компонент мышц, чем накапливается энергия. Запасенная таким образом энергия в финальной части движения (толкания, метания и т.д.) преобразуется в энергию движения (кинетическую энергию).

Аналогия мышцы с пружиной позволяет применить к ее работе закон Гука, согласно которому удлинение пружины нелинейно зависит от величины растягивающей силы. Кривую поведения мышцы в этом случае называют «сила-длина». Зависимость между силой и скоростью мышечного сокращения («сила-скорость») называют кривой Хилла.

Жесткость – это способность противодействовать прикладываемым силам. Коэффициент жесткости определяется как отношение приращения восстанавливающей силы к приращению длины мышцы под действием внешней силы: Кж=DF/Dl (Н/м).

Величина, обратная жесткости, называется податливостью мышцы. Коэффициент податливости: Кп=Dl /DF (м/Н) – показывает, насколько удлинится мышца при изменении внешней силы. Например, податливость сгибателя предплечья близка к 1 мм/Н.

Прочность мышцы оценивается величиной растягивающей силы, при которой происходит разрыв мышцы. Сила, при которой происходит разрыв мышцы составляет от 0.1 до 0.3 Н/мм2. Предел прочности сухожилий на два порядка величины больше и составляет 50 Н/мм2. Однако, при очень быстрых движениях возможен разрыв более прочного сухожилия, а мышца остается целой, успев самортизировать.

Релаксация – свойство мышца, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине мышцы. Релаксация проявляется, например, при прыжке вверх, если во время глубокого приседа спортсмен делает паузу. Чем пауза длительнее, тем сила отталкивания и высота выпрыгивания меньше.

Существует два вида группового взаимодействия мышц: синергизм и антагонизм.

Мышцы-синергисты перемещают звенья тела в одном направлении. Например, при сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плече-лучевая мышцы и т.д. Результатом синергического взаимодействия мышц служит увеличение результирующей силы действия. При наличии травмы, а также при локальном утомлении какой-либо мышцы ее синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия.

Мышцы-антагонисты имеют, наоборот, разнонаправленное действие. Так, если одна из них выполняет преодолевающую работу, то другая – уступающую.

Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Так кости черепа и грудной клетки защищают внутренние органы, а кости позвоночника и конечностей выполняют опорную функцию.

Выделяют 4 вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Установлено, что прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Самая массивная кость – большеберцовая (основная кость бедра) выдерживает силу сжатия в 16–18 кН.

Менее прочны кости на изгиб и кручение. Однако регулярные тренировки приводят к гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов – кости предплечья и т.п.

Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую хранит суставная сумка. Синовиальная жидкость обеспечивает уменьшение трения в суставе примерно в 20 раз. При этом при снижении нагрузки на сустав жидкость поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении нагрузки она выжимается для смачивания поверхности сустава и уменьшения коэффициента трения.

8. Геометрия масс тела

Геометрия масс тела (распределение масс тела) характеризуется такими показателями, как вес (масса) отдельных звеньев тела, положение центров масс отдельных звеньев и всего тела, моменты инерции и др.

Общий центр масс тела человека – Вес отдельных звеньев тела зависит от веса тела в целом. Приближенные величины относительного веса звеньев тела. относительный вес отдельных звеньев тела не постоянен. Например, если человек, весивший 60 кг, затем, поправившись, стал весить 90 кг, то это не означает, что все звенья его тела, в частности стопы, кисти, голова, стали тоже в 1,5 раза тяжелее. Более точно можно определить вес отдельных звеньев тела, использовав уравнения регрессии, приведенные в табл. 2

Центр масс твердого тела является вполне определенной фиксированной точкой, не изменяющей своего положения относительно тела. Центр масс системы тел может менять свое положение, если изменяются расстояния между точками этой системы.

В биомеханике различают центры масс отдельных звеньев тела (например, голени или предплечья) и центр масс всего тела.

У человека, стоящего в основной стойке, горизонтальная плоскость, проходящая через ОЦМ, находится примерно на уровне второго крестцового позвонка. В положении лежа ОЦМ смещается в Сторону головы примерно на 1%; у женщин он расположен в среднем на 1–2% ниже, чем у мужчин; у детей-дошкольников он существенно выше, чем у взрослых (например, у годовалых детей в среднем на 15%).

При изменении позы ОЦМ тела, естественно, смещается и в некоторых случаях, в частности при наклонах вперед и назад, может находиться вне тела человека.

Чтобы определить положение ОЦМ тела, используют либо экспериментальные, либо расчетные методы.

9. Составные движения в биокинематичеких цепях

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).

10. Биомеханическая характеристика силовых качеств

В биомеханике силой действия человека называется сила воздействия его на внешнее физическое окружение, передаваемая через рабочие точки своего тела. Примером могут быть сила давления на опору, сила тяги за рукоятку станового динамометра и т.п.

Момент силы – это мера вращающего действия силы на тело

Сила действия человека (СДЧ), как и всякая другая сила, может быть представлена в виде вектора и определена указанием: 1) направления, 2) величины (скалярной) и 3) точки приложения.

Сила действия человека зависит от состояния данного человека и его волевых усилий, т.е. стремления проявить ту или иную величину силы, в частности максимальную силу, а также от внешних условий, в частности от параметров двигательных заданий.

Понятие о силовых качествах

Силовые качества характеризуются максимальными величинами силы действия (F mm), которую может проявить тот или иной человек. Вместо термина «силовые качества» используют также термины «мышечная сила», «силовые возможности», «силовые способности». Наиболее распространенной является следующая классификация силовых качеств:

Силовые качества Условия проявления

1. Собственно-силовые Статический режим и медленные (статическая сила) движения

2. Скоростно-силовые:

а) динамическая сила Быстрые движения

б) амортизационная сила Уступающие движения

Сила действия человека и сила мышц

Сила действия человека непосредственно зависит от сил тяги мышц, т.е. сил, с которыми отдельные мышцы тянут за костные рычаги. Однако между натяжением той или иной мышцы и силой действия нет однозначного соответствия. Это объясняется, во-первых, тем, что почти любое движение происходит в результате сокращения большого числа мышечных групп; сила действия – итог их совместной активности; и, во-вторых, тем, что при изменении суставных углов меняются условия тяги мышц за кость, в частности плечи сил мышечной тяги

11. Биомеханическая характеристика скоростных качеств

Скоростные качества характеризуются способностью человека совершать двигательные действия в минимальный для данных условий отрезок времени. При этом предполагается, что выполнение задания длится небольшое время и утомление не возникает.

Принято выделять три основные (элементарные) разновидности проявления скоростных качеств:

1) скорость одиночного движения (при малом внешнем сопротивлении);

2) частоту движений;

3) латентное время реакции.

Между показателями скорости одиночного движения, частоты движений и латентного времени реакции у разных людей корреляция очень мала. Например, можно отличаться очень быстрой реакцией и быть относительно медленным в движениях и наоборот. Имея это в виду, говорят, что элементарные разновидности скоростных качеств относительно независимы друг от друга.

В практике приходится обычно встречаться с комплексным проявлением скоростных качеств. Так, в спринтерском беге результат зависит от времени реакции на старте, скорости отдельных движений (отталкивания, сведения бедер в безопорной фазе) и частоты шагов. Скорость, достигаемая в целостном сложнокоординированном движении, зависит не только от скоростных качеств спортсмена, но и от других причин (например, скорость бега – от длины шагов, а та, в свою очередь, от длины ног, силы и техники отталкивания), поэтому она лишь косвенно характеризует скоростные качества, и при детальном анализе именно элементарные формы проявления скоростных качеств оказываются наиболее показательными.

12. Биомеханическая характеристика выносливости

Выносливостью называется способность противостоять утомлению. При прочих равных условиях у более выносливых людей наступает позже как первая, так и вторая фаза утомления. Основным мерилом выносливости считают время, в течение которого человек способен поддерживать заданную интенсивность двигательного задания. Согласно правилу обратимости двигательных заданий, для измерения выносливости можно использовать и другие эргометрические показатели. Рассмотрим пример: спортсмены лежа выжимают «до отказа» штангу 50 кг. Если не учитывать уровень их максимальной (F mm) силы, то более выносливыми следует считать тех, кто смог поднять штангу большее число раз. Если же учесть, что максимальная сила у одних спортсменов невелика (скажем, 55 кг), а у других намного больше, то ясно, что на полученный результат повлияет не только разный уровень выносливости испытуемых, но и разные силовые возможности. Устранить их влияние можно было бы, например, так: предложить всем выжимать штангу, вес которой равен определенному проценту от их максимальной силы (скажем, 50% от F mm). В первом случае интенсивность задания уравнивалась в абсолютных единицах (килограммах), во втором – в относительных (в% от R m).

Примерами латентных показателей выносливости могут быть:

1. Коэффициент выносливости – отношение времени преодоления всей дистанции ко времени преодоления какого-либо короткого отрезка (100 м в беге, 50 м в плавании и т.п.): KB = t д, где t эт – время на дистанции (например, 400 м за 48,0 с), t 3 T – лучшее время на коротком («эталонной») отрезке (100 м – 11,0 с). KB = 48,0:11,0 = 4,3636.

2. Запас скорости (по Н.Г. Озолину) – разность между средним временем преодоления эталонного отрезка при прохождении всей дистанции и лучшим временем на этом отрезке. Запас скорости (3 C)= t д: n – t 3 r, где и – число, показывающее, во сколько раз эталонный отрезок меньше всей дистанции (400 м: 100 м = 4). Запас скорости =48,0:4–11,0 = 1 с.

Чем меньше запас скорости, тем выше выносливость. С ростом спортивной квалификации запас скорости, как правило, уменьшается. Например, у сильнейших бегунов мира на 400 м он равен 0,9–1,0 с, у начинающих – 2–2,5 с. С увеличением дистанции запас скорости также увеличивается.

Тренеры в видах спорта циклического характера должны знать, чему равны показатели запаса скорости (или другие латентные показатели выносливости) на разных дистанциях у спортсменов разной квалификации, это поможет определять слабые стороны в подготовке своих учеников, видеть, что именно отстает – скорость или выносливость.

13. Биомеханическая характеристика гибкости

Гибкостью называется способность выполнять движения с большой амплитудой. Слово «гибкость» используется обычно как более общий термин. Применительно к отдельным суставам говорят о подвижности в них. Для точного измерения гибкости (подвижности в суставах) надо измерить угол в соответствующем сочленении в крайнем возможном положении между сочленяющимися звеньями. Измерение углов движений в суставах, как известно, называется гониометрией (от греч. «гони» – угол и «метр» – мера). Поэтому говорят, что для измерения гибкости используются гиниометрические показатели. Наиболее детальный способ измерения гибкости – так называемый глобографический. При этом поверхность, очерчиваемая в пространстве дистальной точкой движущейся кости, рассматривается как «глобус», на котором определяют предельные значения «меридианов» и «параллелей». В спортивной практике для измерения гибкости нередко используют не угловые, а линейные меры (рис. 60, В). В этом случае на результате измерения могут сказаться размеры тела, например длина рук (при наклоне вперед или выполнении выкрута с палкой), длина туловища (при измерении расстояния между руками и ногами во время выполнения гимнастического моста). Поэтому линейные меры менее точны, и, применяя их, следует вводить поправки, устраняющие нежелательное влияние размеров тела.

Выделяют активную и пассивную гибкость. Активная гибкость – способность выполнять движения в каком-либо суставе с большой амплитудой за счет активности мышечных групп, проходящих через этот сустав (пример: амплитуда подъема ноги в равновесии «ласточка»). Пассивная гибкость определяется наивысшей амплитудой, которую можно достичь за счет внешних сил. Показатели пассивной гибкости больше соответствующих показателей активной гибкости. Разница между ними называется дефицитом активной гибкости. Он определяется зависимостью «длина – сила тяги» активной мышцы, в частности величиной сипы тяги, которую может проявить мышца при своем наибольшем укорочении. Если эта сила недостаточна для дальнейшего перемещения сочленяющихся звеньев тела, то говорят об активной недостаточности мышцы. Экспериментально показано, что активная недостаточность может быть уменьшена (соответственно уменьшен дефицит активной гибкости и повышена сама активная гибкость) за счет силовых упражнений, выполняемых с большой амплитудой движения. Рост силовых качеств приводит в этом случае к увеличению показателей активной гибкости.

Гибкость зависит от ряда условий: температуры окружающей среды (повышение температуры приводит к повышению гибкости), времени суток (в середине дня она выше), разминки и др.

В спорте не следует добиваться предельного развития гибкости. Ее надо развивать лишь до такой степени, которая обеспечивает беспрепятственное выполнение необходимых движений. При этом величина гибкости должна несколько превосходить ту максимальную амплитуду, с которой выполняется движение («запас гибкости»).

14. Связь биомеханики с другими науками

Биомеханика как одна из биологических наук нового типа начинает сближаться по методам исследования с точными науками. Общая биомеханика как раздел биофизики, включающая изучение внутриорганизменных биосистем, возникла на стыке физико-математических и биологических областей знания. Успехи этих наук, использование идей и подходов кибернетики, а также научно-технический прогресс так или иначе сказываются на развитии биомеханики. В свою очередь, эти науки обогащаются данными биомеханики о физике живого. В биомеханических исследованиях применяются методы этих смежных наук; в то же время в исследованиях их проблем могут применяться биомеханические методы. Здесь налицо двусторонняя связь, обеспечивающая взаимное обогащение теории и методов исследования.

Несколько иначе связана биомеханика с отраслями знания, в которых изучаются конкретные области прикладной двигательной деятельности. Так, развивающаяся инженерная биомеханика смыкается с бионикой, инженерной психологией («человек и машина»), связана с разработкой роботов, манипуляторов и других технических устройств, умножающих возможности человека в труде. Медицинская биомеханика дает обоснование ряду методов протезирования, протезостроения, травматологии, ортопедии, лечебной физической культуры. В космической медицине решаются задачи подготовки космонавтов, обеспечения их работоспособности в условиях невесомости, а также двигательных действий в космосе. Биомеханика как бы обслуживает эти области деятельности в процессе решения их прикладных задач.

Методы и законы биомеханики спорта используются также для совершенствования теории и методики физического воспитания, врачебного контроля, спортивно-педагогических и других дисциплин, решающих свои конкретные задачи в области физического воспитания.

15. Сила и момент силы

Сила – это мера механического действия одного тела на другое Численно она определяется произведением массы тела на его ускорение, вызванное данной силой:

Измерение силы, так же как и массы, основано на втором закон! Ньютона. Сила, приложенная к данному телу, вызывает его ускорение Источником силы служит другое тело; следовательно, взаимодействуют два тела. Таким образом, имеется «действие» второго тела на первое и «противодействие» первого тела, приложенное ко второму; Поскольку действие и противодействие приложены к разным телам их нельзя складывать, заменять равнодействующей.

Момент силы – это мера вращающего действия силы на тело; он определяется произведением модуля силы на ее плечо. Момент силы считают положительным, когда сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицательным при повороте тела по часовой стрелке (со стороны наблюдателя).

Момент силы – величина векторная: сила проявляет свое вращающее действие, когда она приложена на ее плече (рис. 8, а). Иначе! говоря, линия действия силы не должна проходить через ось вращения. Если сила лежит не в плоскости, перпендикулярной к оси, находят составляющую силы, лежащую в этой плоскости (рис. 8, б); она и вызывает момент силы относительно оси. Остальные составляющие на него не влияют. Понятно, что сила, совпадающая с осью или параллельная ей, также не имеет плеча относительно оси, а следовательно, нет и ее момента.

16. Импульс силы

Импульс силы – это мера воздействия силы на тело за данный промежуток времени (в поступательном движении). За конечный промежуток времени он равен определенному интегралу от элементарного импульса силы, где пределами интегрирования являются моменты начала и конца промежутка времени действия силы:

В случае одновременного действия нескольких сил сумма их импульсов равна импульсу их равнодействующей за то же время. Любая сила, приложенная даже в доли секунды (например, при отталкивании коньком от льда), имеет импульс (рис. 9).

Во вращательном движении момент силы, действуя в течение определенного времени, создает импульс момента силы., Импульс момента силы – это мера воздействия момента силы относительно данной оси за данный промежуток времени (во вра­щательном движении).

17. Соединение звеньев тела

Соединенные два соседних звена тела образуют пару, а пары, в свою очередь, соединены в цепи.

Биокинематическая пара – это подвижное (кинематическое) соединение двух костных звеньев, в котором возможности движений определяются его строением и управляющим воздействием мышц. В технических механизмах соединения двух звеньев – кинематические пары – устроены обычно так, что возможны лишь вполне определенные, заранее заданные движения. Одни возможности не ограничены (их характеризуют степени свободы движения), другие полностью ограничены (их характеризуют степени связи).

Различают связи: а) геометрические (постоянные препятствия перемещению в каком-либо направлении, например костное ограничение в суставе) и б) кинематические (ограничение скорости, например мышцей-антагонистом).

В биокинематичеких парах имеются постоянные степени связи, которые определяют собой сколько как максимум и каких остается степеней свободы движения. Почти все биокинематические пары в основном вращательные (шарнирные); немногие допускают чисто поступательное скольжение звеньев относительно друг друга и лишь одна пара (голеностопный сустав) – винтовое движение.

Биокинематическая цепь – это последовательное либо незамкнутое (разветвленное), либо замкнутое соединение ряда биокинематических пар (рис. 10, а).

В незамкнутых цепях имеется свободное (конечное) звено, входящее лишь в одну пару. В замкнутых цепях нет свободного конечного звена, каждое звено входит в две пары.

В незамкнутой цепи, следовательно, возможны изолированные движения в каждом отдельно взятом суставе. В двигательных действиях движения в незамкнутых цепях происходят обычно одновременно во многих суставах, но возможность изолированного движения не исключена.

В замкнутой цепи изолированные движения в одном суставе невозможны: в движение неизбежно одновременно вовлекаются и другие соединения (рис. 10, б).

Значительная часть незамкнутых биокинематических цепей оснащена многосуставными мышцами. Поэтому движения в одних суставах через такие мышцы бывают связаны с движениями в соседних суставах. Однако при точном управлении движениями во многих случаях эту взаимную связь можно преодолеть, «выключить». В замкнутых же цепях связь непреодолима и действия мышц обязательно передаются на отдаленные суставы.

Незамкнутая цепь может стать замкнутой, если конечное свободное звено получит связь (опора, захват) с другим звеном цепи (непосредственно или через какое-либо тело).

18. Степени свободы в биомеханических цепях

Если у физического тела нет никаких ограничений (связей), оно может двигаться в пространстве во всех трех измерениях, т.е. г относительно трех взаимно перпендикулярных осей (поступательно), а также вокруг них (вращательно). Следовательно, у такого тела шесть степеней свободы движения.

Каждая связь уменьшает число степеней свободы. Зафиксировав одну точку свободного тела, сделав его звеном пары, фазу лишают его трех степеней свободы – возможных линейных перемещений вдоль трех основных осей координат. Примером может служить шаровидный сустав – тазобедренный, в котором три степени свободы из шести (возможно вращение относительно трех осей). Закрепление двух точек звена говорит о наличии оси, проходящей через эти точки. В таком случае остается одна степень свободы. Пример подобного ограничения – одноосный сустав, например межфаланговый. Закрепление третьей точки, не лежащей на этой оси, полностью лишает звено свободы движений. Такое соединение к суставам не относится. В анатомии выделяют также двуосные суставы; они имеют вторую степень свободы вследствие неконгруэнтности (неполного соответствия по форме) суставных поверхностей (суставы лучезапястный и пястнофаланговый 1-го пальца).

Почти во всех суставах (кроме межфаланговых, лучелоктевых и атлантоосевого) степеней свободы больше, чем одна. Поэтому устройство пассивного аппарата в них обусловливает неопределенность движений, множество возможностей движений («неполносвязный механизм»). Управляющие воздействия мышц вызывают дополнительные связи и оставляют для движения только одну степень свободы («полносвязный механизм»). Так обеспечивается одна-единственная возможность движений – именно та, которая требуется.

19. Строение тела и моторика человека

Как двигательные возможности людей, так и многие индивидуальные черты спортивной техники в значительной степени зависят от особенностей телосложения. К ним в первую очередь относят:

а) тотальные размеры тела – основные размеры, характеризующие его величину (длина тела, вес, окружность грудной клетки, поверхность тела и т.п.);

б) пропорции тела – соотношение размеров отдельных частей тела (конечностей, туловища и др.);

в) конституциональные особенности.

Тотальные размеры тела у людей существенно различны. В одном и том же виде спорта (например, в борьбе или тяжелой атлетике) можно встретить спортсменов с весом тела менее 50 и свыше 150 кг. Двигательные возможности этих спортсменов будут разными.

При одинаковом уровне тренированности люди большего веса могут проявлять большую силу действия. С этим, в частности, связано деление на весовые категории в таких видах спорта, как борьба, бокс, тяжелая атлетика.

Для сравнения силовых качеств людей различного веса обычно пользуются понятием «относительная сила», под которым понимают величину силы действия, приходящейся на 1 кг собственного веса. Силу действия, которую спортсмен проявляет в каком-либо движении безотносительно к собственному весу, иногда называют абсолютной силой:

У людей примерно одинаковой тренированности, но разного веса абсолютная сила с увеличением веса возрастает, а относительная падает (рис.). Аналогичные закономерности наблюдаются и в отношении некоторых других функциональных показателей (например, максимального потребления кислорода – МПК). В то же время, скажем, высота подъема ОЦТ в прыжках или дистанционная скорость бега не зависят от тотальных размеров тела, а максимальная частота движений и стартовое ускорение уменьшаются с их увеличением.

20. Роль созревания в онтогенезе моторики

Онтогенезом моторики называется изменение движений и двигательных возможностей человека на протяжении его жизни. Новорожденный – существо, не владеющее даже простейшими движениями. С возрастом его двигательные возможности расширяются, достигают расцвета в молодости и постепенно снижаются к старости.

Роль созревания и научения в онтогенезе моторики:

Два основных фактора определяют развитие моторики – созревание и научение. Созреванием называются наследственно обусловленные изменения анатомического строения и физиологических функций организма, происходящие в течение жизни человека: увеличение размеров и изменение формы тела ребенка в процессе его роста, изменения, связанные с половым созреванием, старением и др. В раннем детстве громадное значение имеет дозревание нервно-мышечного аппарата (в частности, коры больших полушарий головного мозга, которая к моменту рождения еще не сформировалась). В основных чертах двигательный аппарат ребенка формируется лишь к 2–2,5 годам. Под научением понимают освоение новых движений или совершенствование в них под влиянием специальной практики, обучения или тренировки. Таким образом, онтогенез моторики определяется взаимодействием созревания и научения. При попытках, в частности, раздельного обучения близнецов было показано, что сроки овладения некоторыми движениями (например, начало ходьбы) не изменялись под влиянием обучения и помощи; другие движения осваивались намного быстрее обычного (например, можно обучить ребенка катанию на роликовых коньках одновременно с началом ходьбы, а обучить плавать даже раньше, чем ходить). Однако иногда чрезмерно раннее обучение мешает овладению движением. Например, годовалые дети, ежедневно обучавшиеся в течение полугода езде на трехколесном велосипеде, хуже ездили на нем впоследствии из-за неправильных навыков и потери интереса, чем дети, которые впервые сели на велосипед в более позднем возрасте.

Двигательный возраст:

Если измерить результаты в каких-либо двигательных заданиях большой группы детей одного возраста, то можно определить средние достижения, которые они показывают. Зная затем результаты отдельного ребенка, можно установить, какому возрасту в среднем соответствует данный результат. Таким образом определяют двигательный возраст детей.

Конечно, не все дети одного и того же возраста показывают одинаковые результаты. Детей, у которых двигательный возраст опережает календарный, называют двигательными акселератами. Детей, у которых двигательное развитие отстает, называют двигательными ретардантами. Например, если подросток в возрасте 14 лет и 2 месяца прыгает в длину с места на 170 см, он двигательный ретардант (в этом упражнении), а если его результат более 210 см, – двигательный акселерат.

Прогноз развития моторики

При начальном выборе спортивной специализации, отборе в ДЮСШ и некоторые специальные школы (балетную, цирковую и др.) встает задача прогноза двигательной одаренности. Как порекомендовать ребенку именно тот вид спорта, в котором он сможет добиться наибольших успехов, как выявить наиболее одаренных? Для ответа на эти вопросы проводят научные исследования в двух основных направлениях:

а) изучение стабильности показателей моторики,

б) изучение наследственных влияний.

21. Биодинамика прыжка

В прыжках расстояние преодолевается полетом. При этом достигается либо наибольшая длина прыжка (прыжок в длину с разбега, тройной прыжок), либо наибольшая высота (прыжок в высоту с разбега, прыжок с шестом), либо значительная и длина и высота (опорный прыжок в гимнастике).

В разбеге решаются две задачи: создание необходимой скорости к моменту прихода на место отталкивания и создание оптимальных условий для опорного взаимодействия.

Отталкивание

Отталкивание от опоры в прыжках совершается за счет выпрямления толчковой нога, маховых движений рук и туловища. Задача отталкивания – обеспечить максимальную величину вектора начальной скорости ОЦМ и оптимальное ее направление. После отталкивания, в полете, тело спортсмена всегда совершает движения вокруг осей. Поэтому в задачи отталкивания входит также и начало управления этими движениями.

В полете траектория ОЦМ предопределена величиной и направлением вектора начальной скорости ОЦМ (углом вылета). Движения представляют собой движения звеньев вокруг осей, проходящих через ОЦМ. Задача сводится к возможно более дальнему приземлению, удерживая стопы как можно выше.

22. Движения центра масс системы

Центром масс называется точка, где пересекаются линии действия всех сил, не вызывающих вращение тела. В поле тяготения центр масс совпадает с центром тяжести. Положение общего центра масс тела определяется тем, где находятся центры масс отдельных звеньев. Для человека это зависит от его позы, т.е. пространственного положения элементов тела.

В человеческом теле около 70 звеньев, но для биомеханического моделирования чаще всего достаточно 15-звенной модели человеческого тела (например, голова, бедро, стопа, кисть и т.д.). Зная, каковы массы и моменты инерции звеньев тела и где расположены их центры масс, можно решить многие задачи биомеханики, в том числе:

определить импульс тела;

определить момент количества движения, при этом надо учитывать, что величины моментов относительно разных осей неодинаковы;

оценить, легко или трудно управлять скоростью тела или отдельного звена;

определить степень устойчивости тела и т.д.

23. Эффективность техники, ее виды

Эффективностью владения спортивной техникой (или эффективностью техники) того или иного спортсмена называется степень близости ее к наиболее рациональному варианту. Эффективность техники (в отличие от рациональности) – это характеристика не того или иного варианта техники, а качества владения техникой.

В зависимости от того, как определяется рациональная техника (образец, стандарт), различают три группы показателей ее эффективности.

Показатели абсолютной эффективности характеризуют близость к образцу, в качестве которого выбирается наиболее рациональный вариант техники, определенный на основе биомеханических, физиологических, психологических, эстетических соображений.

В простейшем случае мерой эффективности техники может явиться показанный спортсменом результат. Таким способом часто оценивают эффективность технических приемов в единоборствах и спортивных играх. Например, в баскетболе эффективность техники штрафных бросков естественно оценивать по проценту попаданий.

Сравнительная эффективность – В этом случае за образец берется техника спортсменов высокой квалификации. Те признаки техники, которые закономерно отличаются у спортсменов разной квалификации (т.е. изменяются с ростом спортивного мастерства), называются дискриминативными 1 призна­ками. Такие признаки эффективности техники используют в качестве основных показателей лишь тогда, когда техника движений очень сложна и на основе биомеханического анализа не удается определить ее наиболее рациональный вариант. В других случаях дискриминативные признаки дополняют показатели абсолютной эффективности, очень часто совпадая с ними.

При оценке эффективности техники с помощью дискриминативных признаков надо помнить, что техника даже выдающихся спортсменов может быть не вполне рациональной.

Реализационная эффективность (эффективность реализации) – Идея этих показателей состоит в сопоставлении показанного спортсменом результата либо с тем достижением, которое он по уровню развития своих двигательных качеств потенциально может показать (вариант «А»), либо с затратами энергии и сил при выполнении оцениваемого спортивного движения (вариант «Б»).

Вариант «А». В данном случае эффективность техники оценивается по тому, насколько хорошо спортсмен использовал в движении свои двигательные возможности. При таком подходе опираются на существование связей между тремя показателями: спортивным результатом, уровнем развития двигательных качеств, эффективностью техники.

Практически это осуществляется путем сравнения результатов спортсмена:

а) в технически сложном действии (как правило, это то движение, в котором специализируется спортсмен);

б) в технически более простых заданиях, требующих развития тех же двигательных качеств, что и основные.

24. Строение биомеханической системы

Для изучения опорно-двигательного аппарата человека как биомеханической системы необходимо последовательно рассмотреть строение этой системы и ее свойства. С точки зрения биомеханики опорно-двигательный аппарат – это управляемые биокинематические цепи (звенья и их соединения), оснащенные группами мышц. Вместе они выполняют задаваемые движения как биомеханизм.

Самой характерной чертой строения биомеханической системы считается его переменный характер. И число движущихся звеньев, и степени свободы движений, и состав мышечных групп, и их взаимодействия переменны.

Звенья биокинематических цепей

Биокинематические цепи опорно-двигательного аппарата состоят из подвижно соединенных звеньев (твердых, упругих и гибких) и отличаются их переменным составом, своей длиной и формой (составные рычаги и маятники).

Фиксирование суставов (блокада) и их освобождение (снятие динамических связей – тяги мышц) изменяют число движущихся звеньев в цепи. Она может превратиться как бы в одно звено или сохранять движение в части сочленений или во всех сочленениях.

Расстояние по прямой от проксимального сочленения до конца открытой цепи при ее сгибании-разгибании изменяется. Многозвенные маятники поэтому имеют переменную длину. Это влияет на величину инертного сопротивления (изменения момента инерции).

Биокинематические цепи, замыкаясь геометрически (связыванием между собой концевых звеньев), изменяют свои свойства (передача усилий, возможности управления). В частности, возникают составные рычаги со сложной передачей тяг многосуставных мышц. Твердые; Звенья (кости), упругие (мышцы) и гибкие (связки, сами мышцы; и их сухожилия), изменяя степень и характер своего участия в движениях, обеспечивают многообразные возможности движений.

Механизмы соединений

Механизмы соединений звеньев в биомеханических цепях и неодноосных сочленениях позволяют определять требуемое движение благодаря образованию биодинамически полносвязного механизма.

Биодинамически полносвязный механизм (биомеханизм) характеризуется выключением лишних в данном движении степеней свободы. Тяги групп мышц обеспечивают требуемое направление движений звеньев в биокинематических цепях и регулирование их скоростей. Кроме этого, мышцы при необходимости ограничивают и размах движений, затормаживая звенья раньше, чем наступает пассивное ограничение (костно-суставно-связочное).

Направление движений, скорости звеньев и размах движений в ряде суставов взаимосвязаны благодаря совместному действию многосуставных мышц.

25. Перемещающие движения

Перемещающимися в биомеханике называют движения, задача которых – перемещение какого-либо тела (снаряда, мяча, соперника, партнера). Перемещающие движения разнообразны. Примерами в спорте могут быть метания, удары по мячу, броски партнера в акробатике и т.п.

К перемещающим движениям в спорте обычно предъявляются требования достичь максимальных величин:

а) силы действия (при подъеме штанги), б) скорости перемещаемого тела, (в метаниях), в) точности (штрафные броски в баскетболе). Нередки и случаи, когда эти требования (например, скорости и точности) предъявляются совместно.

Среди перемещающих различают движения:

а) с разгоном перемещаемых тел (например, метание копья),

б) с ударным взаимодействием (например, удары в теннисе или футболе).

Поскольку большинство спортивных перемещающих движений связано с сообщением скорости вылета какому-нибудь снаряду (мячу, снаряду для метания), рассмотрим прежде всего механические основы полета спортивных снарядов.

Полет спортивных снарядов

Траектория (в частности, дальность) полета снаряда определяется:

а) начальной скоростью вылета,

б) углом вылета,

в) местом (высотой) выпуска снаряда,

г) вращением снаряда и

д) сопротивлением воздуха, которое, в свою очередь, зависит от аэродинамических свойств снаряда, силы и направления ветра, плотности воздуха (в горах, где атмосферное давление ниже, плотность воздуха меньше и спортивный снаряд при тех же начальных условиях вылета может пролететь большее расстояние).

26. Биомеханика ударных действий

Ударными в биомеханике называются действия, результат которых достигается механическим ударом. В ударных действиях различают:

1. Замах – движение, предшествующее ударному движению и приводящее к увеличению расстояния между ударным звеном тела и предметом, по которому наносится удар. Эта фаза наиболее вариативна.

2. Ударное движение – от конца замаха до начала удара.

3. Ударное взаимодействие (или собственно удар) – столкновение ударяющихся тел.

4. Послеударное движение – движение ударного звена тела после прекращения контакта с предметом, по которому наносится удар.

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.

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.