Курс лекций по биомеханике. Курс лекций Содержание Биомеханика как учебная и научная

• Название: Курс лекций Содержание Биомеханика как учебная и научная
• Анкор: Курс лекций по биомеханике.doc
• Дата: 24.04.2017
• Размер: 5.94 Mb.
• Имя файла: Курс лекций по биомеханике.doc
• Тип: Курс лекций; #1886
• страница: 2 из 26

раздел биофизики зародилась в связи с развитием физических и биологических наук. В настоящее время успехи этих наук так или иначе сказываются на развитии биомеханики. В свою очередь, физические и биологические науки могут обогащаться данными биомеханики о физике живого. Изучение биомеханических систем открывает новые пути для понимания анатомического строения и физиологических функций двигательного аппарата. В биомеханиче­ских исследованиях могут применяться методы смежных наук; в то же время специальные исследования проблем этих наук могут проводиться с применением биомеханических методов. Здесь налицо дву­сторонняя связь, обеспечивающая взаимное обогащение теории и ме­тодов исследования.

Несколько иная взаимосвязь биомеханики с отраслями знания, в которых изучают конкретные области двигательной деятельности: с теорией физического воспитания, клинической медициной, косми­ческой и авиационной биологией, физиологией труда и др. В этих отраслях знания используются теоретические выводы и практические результаты биомеханических исследований. Кроме того, в ходе разви­тия этих отраслей выдвигаются проблемы, требующие исследований с применением биомеханических методов, с использованием понятий, законов биомеханики.

Тема 2.РАЗВИТИЕ БИОМЕХАНИКИ КАК НАУКИ

1.История развития биомеханики 2.Предпосылки возникновения биомеханики 3. Становление теории биомеханики 4. Современный этап развития биомеханики
1.ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ БИОМЕХАНИКИ

Биомеханика — одна из самых старых ветвей биологии. Ее исто­ками были работы Аристотеля и Галена, посвященные анализу дви­жений животных и человека. Но только благодаря работам одного из самых блистательных людей эпохи Возрождения — Леонардо да Винчи (1452—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 и, по-видимому, впервые дал описание походок.

Р. Декарт (1596—1650) создал основу рефлекторной теории, показав, что причиной движений может быть конкретный фактор внешней среды, воздействующий на органы чувств. Этим объяс­нялось происхождение непроизвольных движений.

В дальнейшем большое влияние на развитие биомеханики ока­зал итальянец Д. Борелли (1608—1679) — врач, математик, фи­зик. В своей книге «О движении животных» по сути он положил начало биомеханике как отрасли науки. Он рассматривал организм человека как машину и стремился объяснить дыхание, движение крови и работу мышц с позиций механики.

Первые шаги в подробном изучении биомеханики движений были сделаны лишь в конце XIX столетия немецкими учеными Брауном и Фишером (V. Braune, О. Fischer), которые разработали совершенную методику регистрации движений, детально изучили динамическую сторону перемещений конечностей и общего цент­ра тяжести (ОЦТ) человека при нормальной ходьбе.

К.Х. Кекчеев (1923) изучал биомеханику патологических похо­док, используя методику Брауна и Фишера.

П.Ф. Лесгафтом (1837—1909) создана биомеханика физиче­ских упражнений, разработанная на основе динамической анато­мии. В 1877 г. П.Ф. Лесгафт начал читать лекции по этому предмету на курсах по физическому воспитанию. В Институте физического образования им. П.Ф. Лесгафта этот курс входил в предмет «фи­зическое образование», а в 1927 г. был выделен в самостоятель­ный предмет под названием «теория движения» ив 1931 г. пере­именован в курс «Биомеханика физических упражнений».

Большой вклад в познание взаимодействия уровней регуляции движений внес Н.А. Бернштейн (1880— 1968). Им дано теоретиче­ское обоснование процессов управления движениями с позиций общей теории больших систем. Исследования Н.А. Бернштейна позволили установить чрезвычайно важный принцип управления движениями, общепризнанный в настоящее время. Нейрофизиологические концепции Н.А. Бернштейна послужили основой форми­рования современной теории биомеханики движений человека.

Идеи Н.М. Сеченова о рефлекторной природе управления движе­ниями путем использования чувствительных сигналов, получили раз­витие в теории Н.А. Бернштейна о кольцевом характере процессов управления.

В.С. Гурфинкель и др. (1965) клинически подтвердили это направ­ление, выявили принцип синергии в организации работы скелетной мускулатуры при регуляции вертикальной позы, а Ф.А. Северин и др. (1967) получили данные о спинальных генераторах (мотонейро­нах) локомоторных движений. R. Granit (1955) с позиции нейрофи­зиологии дал анализ механизмов регуляции движений.

R. Granit (1973) отметил, что организация ответов на выходе в конечном счете определяется механическими свойствами дви­гательных (моторных) единиц (ДЕ) и специфической иерархией процессов активации — включением медленных или быстрых ДЕ, тонических или фазических мотонейронов, альфа-моторного или альфа-гамма-контроля.

Большой вклад в биомеханику спорта внесли R.G. Osterhoud (1968); Т. Duck (1970), R.M. Brown; J.E. Counsilman (1971); S. PIa-genhoef(1971); C.W. Buchan (1971); Dal Monte et. al. (1973); M. Saito et al. (1974) и многие другие.

У нас в стране изучение координации движений человека ве­дется с двадцатых годов XX столетия. Проводились исследования всей биомеханической картины координационной структуры про­извольных движений человека с целью установления общих зако­номерностей, определяющих как центральную регуляцию, так и деятельность мышечной периферии в этом важнейшем жиз­ненном процессе. С тридцатых годов XX века в институтах физ­культуры в Москве (Н.А. Бернштейн), в Ленинграде (Е.А. Котикова, Е.Г. Котельникова), в Тбилиси (Л.В. Чхаидзе), в Харькове (Д.Д. Донской) и других городах стала развиваться научная работа по биомеханике. В 1939 г. вышло учебное пособие Е.А. Котиковой «Био­механика физических упражнений» и в последующие годы в учебни­ки и учебные пособия стал входить раздел «Биомеханическое обос­нование спортивной техники по различным видам спорта».

Из биологических наук в биомеханике более других использо­вались научные данные по анатомии и физиологии. В последующие годы большое влияние на становление и развитие биомеханики как науки оказали динамическая анатомия, физика и физиология, осо­бенно учение о нервизме И.П. Павлова и о функциональных сис­темах П.К. Анохина.

Большой вклад в изучение физиологии двигательного аппарата внес Н.Е. Введенский (1852—1922). Им выполнены исследования процессов возбуждения и торможения в нервной и мышечной тка­нях. Его работы о физиологической лабильности живых тканей и возбудимых систем, о парабиозе имеют огромное значение для современной физиологии спорта. Большую ценность представля­ют также его работы о координации движений.

По определению А.А. Ухтомского (1875—1942), биомеханика ис­следует «каким образом полученная механическая энергия движения и напряжения может приобрести рабочее применение». Им показа­но, что сила мышц при прочих равных условиях зависит от поперечно­го сечения. Чем больше поперечное сечение мышцы, тем больше она в состоянии поднять груз. А.А. Ухтомский открыл важнейшее физио­логическое явление — доминанту в деятельности нервных центров, в частности, при двигательных актах. Большое место его работах отведено вопросам физиологии двигательного аппарата.

Вопросы физиологии спорта разрабатывал А.Н. Крестовников (1885—1955). Они были связаны с выяснением механизма мышеч­ной деятельности, в частности, координации движений, формиро­вания двигательных условных рефлексов, этиологии утомления при физической деятельности и другими физиологическими функ­циями при выполнении физических упражнений.

М.Ф. Иваницкий (1895—1969) разработал функциональную (динамическую) анатомию применительно к задачам физкульту­ры и спорта, т. е. определил связь анатомии с физкультурой.

Успехи современной физиологии, и, в первую очередь, труды ака­демика П. К. Анохина дали возможность с позиции функциональных систем по-новому взглянуть на биомеханику движений.

Все это дало возможность обобщить физиологические данные с биомеханическими исследованиями и подойти к решению важ­ных вопросов биомеханики движений в современном спорте, спор­те высших достижений.

В середине XX века ученые создали протез руки, управляемый электрическими сигналами, поступающими из нервной системы. В 1957 г. у нас в стране была сконструирована модель руки (кисти), которая выполняла биоэлектрические команды типа «сжать—разжать», а в 1964 г. создан протез с обратной связью, т. е. протез, от которого непрерывно поступает в ЦНС информация о силе сжа­тия или разжатия кисти, о направлении движения руки и тому по­добных признаках.

Американские специалисты (E.W. Schrader и др., 1964) созда­ли протез ноги, ампутированной выше колена. Была изготовлена гидравлическая модель коленного сустава, позволяющая добиться естественной ходьбы. Конструкция предусматривает нормальную высоту подъема пятки и вытягивание ноги при ее отводе независи­мо от скорости ходьбы.

Бурное развитие спорта в СССР послужило основанием разви­тия биомеханики спорта. С 1958 г. во всех институтах физической культуры биомеханика стала обязательной учебной дисциплиной, создавались кафедры биомеханики, разрабатывались программы, издавались учебные пособия, учебники, проводились научно-ме­тодические конференции, готовились специалисты.

Как учебный предмет биомеханика выполняет несколько ролей. Во-первых, с ее помощью студент вводится в круг важнейших физи­ко-математических понятий, которые необходимы для расчетов ско­рости, углов отталкивания, массы тела, расположения ОЦТ и его роли в технике выполнения спортивных движений. Во-вторых, эта дисци­плина имеет самостоятельное применение в спортивной практике, потому что представленная в ней система двигательной деятельно­сти с учетом возраста, пола, массы тела, телосложения позволяет выработать рекомендации для работы тренера, учителя физкульту­ры, методиста лечебной физкультуры и др.

Биомеханические исследования позволили создать новый тип обуви, спортивного инвентаря, оборудования и техники управ­ления ими (велосипеды, горные и прыжковые лыжи, гоночные лыжи, лодки для гребли и многое другое).

Изучение гидродинамических характеристик рыб и дельфинов дало возможность создать специальные костюмы для пловцов, изменить технику плавания, что способствовало повышению скорости плавания.

Биомеханику преподают в высших физкультурных учебных заведе­ниях во многих странах мира. Создано международное общество био­механиков, проводятся конференции, симпозиумы, конгрессы по био­механике. При Президиуме Российской академии наук создан научный Совет по проблемам биомеханики с секциями, охватывающими про­блемы инженерной, медицинской и спортивной биомеханики.

2.ПРЕДПОСЫЛКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ БИОМЕХАНИКИ

К предпосылкам возникновения биомеханики как самостоятельной науки относится накопление знаний в области физических и биологических наук, а также развитие техники,

2.1. 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 организмов.

В Древней Греции во времена Аристотеля (384—322 гг. до н. э.) физикой называли вообще все первоначальные знания о природе. Аристотель первый ввел термин «механика», описал рычаг и другие простейшие машины, пытался путем рассуждений найти причины дви­жений. Некоторые его представления (например, о зависимости ско­рости падения в пустоте только от веса тел, о необходимости постоян­ной силы для поддержания постоянной скорости), не подтвержденные опытом, были впоследствии опровергнуты. Намного долговечнее ока­зались работы Архимеда (287—212 гг. дон. э.), который 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 гг.) по тео­рии механизмов, трению и другим вопросам. Примечательно, что этот великий художник, математик, механик и инженер впервые высказал важнейшую для будущей биомеханики мысль: «Наука меха­ника потому столь благородна 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 — динамика — был создан трудами гениальных ученых Галилео Галилея (1564— 1642 гг.) и Исаака Ньютона (1643—1727 гг.). Основные законы клас­сической механики описывают движение материальной точки и абстрактного абсолютно твердого тела².

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

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

2.2. 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 отрасли биологических наук, в частности физиология. Началом создания физио­логии по праву считают работы в области кровообращения Вильяма Гарвея (1578—1657 гг.), формирование понятия о рефлексе Рене Де­карта (1596—1650 гг.) и исследования Джовани Борелли (1608— 1679 гг.) по механике движений живых организмов. Исследования Д. Борелли положили начало развитию биомеханики как отрасли науки.

При изучении строения и формы тела, а также их развития, 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, оказавшей большое влияние на становление биомеханики.

Расцвет физиологии и медицины в XIX в. был тесно связан с раз­витием идеи нервизма — направления научной мысли, приз­нающего ведущую роль нервной системы в управлении жизнедеятельностью высших организмов. Принцип нервизма был одним из главных, когда закладывались основы теории биомеханики.

2.3. Разработка методик изучения движений

Развитие биомеханики во многом зависело от разработки методик изучения движений. С ростом достижений в технике регистрации характеристик движений стал накапливаться обширный материал, по­служивший основой последующих теоретических обобщений в биоме­ханике.

2.3.1. 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 очередь начали применять простейшие устройства для определения положения центра тяжести тела человека (Д. Борелли, А. Базлер и др.). Более широко механические приспособления стали использовать братья В. и Э. Веберы (1836 г.), изучавшие ходьбу чело­века. Ж. Марей (80-е гг. 19 в.) предложил пневмографическую запись давления ноги на опору при помощи воздушных камер, находящихся в ботинках, с передачей давления воздуха по резиновым трубочкам. У многих механических приборов была невысокая точность измерений, наблюдались запаздывания. Поэтому в научных исследованиях они постепенно заменялись более совершенными — светохимическими и электротехническими. С распространением биомеханических иссле­дований в спорте (50—60-е гг. 20 в.) у нас в стране стали успешно при­меняться многие механические приборы (В. М. Абалаков), в частности динамографы, непосредственно связанные со спортивными снарядами.

2.3.2. Светохимичесная регистрация

Большую роль в изучении движений сыграло открытие фотогра­фии. Вначале успешно делали только моментальные одиночные снимки движений. Затем Э. Майбридж (1877 г.) получил последова­тельные автоматические снимки (всадник, скакавший на лошади вдоль ряда фотоаппаратов). Позднее стали применять многократную экспозицию на одну пластинку. Ж- Марей и Ж. Демепн разработали метод хронофотографии: вращающийся с постоянной скоростью перед объективом аппарата затвор-обтюратор (непрозрачный диск с равномерно расположенными прорезями позволял запечатлеть на неподвижной пластинке ряд последователь­ных поз через равные промежутки времени.

Метод хромофотографии далее развивался в двух направлениях. Первое преследовало цели более точного измерения движений. Марей сначала снимал на фоне черного бархата движущегося человека в черном бархатном костюме, на котором были нашиты бле­стящие полосы, обозначавшие оси и точки частей тела (см. рис. 1, б, в), Позднее в школе Марея заменили полосы светящимися точечными лам­почками накаливания, расположенными соответственно осям суставов. В подобном же направлении работали В. Брауне и О. Фишер, только вместо блестящих полос и точечных лампочек они применяли газосвет­ные лампы (гейслеровы трубки). Все эти усовершенствования позволяли повышать точность измерения движений. В дальнейшем хронофотография

была значительно усовер­шенствована Н. А. Бернштейном, разработавшим метод циклограмметрии. При помощи обтюратора на пластинке получают точечные траек­тории лампочек — циклограм­му (см. рис. 1г). По координатам точек на циклограмме вычисляют их перемещения, скорости и ускорения, а по массам и ускорениям звеньев рас­считывают приложенные силы. Одно­временная съемка несколькими аппа­ратами (предложенная еще В. Брауне и О. Фишером), точечные лампочки, высокая частота съемки (100 и более снимков в 1 сек.), рациональная обра­ботка ее материалов позволили Н. А. Бернштейну накопить обширнейший по тем временам материал (свыше 700 опытов циклосъемки ходьбы).


Рис. I. Светохимическая регистрация движений:

а)обтюратор; б— хронограммя бега (по Марею); в — костюм для хронофотографии (по Марею);

г— циклограмма лыжного хода (ориг.)

Еще В. Брауне и О. Фишер изучали массы и моменты инерции частей тела человека, кинематику его сочленений, условия работы мышц. Они использовали пространственные координаты, полученные при съемке, для решения уравнений движений человека. Но низкая частота съемки (несмотря на огромную точность измерения координат) и недостаточность математических методов не позволили тогда решить эту задачу.

Н. А. Бернштейн, значительно упростив подход к определению усилий (пренебрегая точным определением моментов инерции), впер­вые получил важные данные о чрезвычайной расчлененности, дробности характеристик движений и их сложнейшей взаимосвязи. С этих иссле­дований, по сути дела, и началась разработка теории биомеханики.

Второе направление развития хронографии преследовало цели вос­произведения движений на экране. Оно привело к воз­никновению кинематографии, предшественницы современного кино. Марей сначала применял «фоторужье», в котором быстро сменялись одна за другой 12 пластинок. Более удобным оказалось использование негативной бумажной, а потом и целлулоидной ленты с применением обтюратора:в моменты, когда объектив закрыт сплошной частью диска обтюратора, лента продвигается на один кадр. Киносъемка с большой частотой (рапидная съемка) посредством проекции на экран с нормаль­ной частотой давала замедленное изображение («лупа времени»). Как и нормальная съемка, рапидная позволяла только рассмотреть, но не измерить движение.

Своего рода шагом назад в методике было постепенное распростра­нение киноциклографии. Используя точки, отмеченные на теле испытуе­мого, по кинопленке изготовляли промер — проекцию на один лист бумаги положений точек с ряда последовательных кадров. При кино­съемке в условиях соревнований опознавательные точки наносились приближенно, позднее, уже на промер. Естественно, точность опре­деления координат по сравнению с циклографией резко снизилась. Однако возможность снимать в условиях соревнований и обходиться без сложного оснащения испытуемого, простота съемочной аппара­туры давали большие преимущества по сравнению с циклографией. С помощью метода киноциклографии в течение 2—3 десятилетий в на­шей стране была изучена в основном техника почти всех видов спорта.

Дальнейшее повышение частоты съемки (рапидная и ультрарапидная киносъемка — сотни кадров в 1 сек.) при низкой точности опреде­ления координат точек позволяло получать очень ценный материал для наблюдений при относительно замедленной проекции, но не для изме­рений. Своеобразным вариантом хронофотографии явилась стробофотография: при съемке на одну пластинку (или пленку) многократная экспозиция достигается перерывом лучей на пути не от объектива к фотоаппарату, а от источника света (осветителя) к объекту съемки. Этот метод, очень эффективный при съемке быстротекущих процессов в технике, пока еще не принес существенной пользы в изучении движе­ний.

В целом метод светохимической регистрации, даже такой нестро­гий, как киноциклография, еще долго может быть ведущим в широкой практике. В научных исследованиях он свою положительную роль сыграл, позволив собрать данные для ряда теоретических обобщений. Однако современный уровень развития науки и техники выдвигает ряд более точных методов, основанных на использовании электротех­ники.

2.3.3. 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 изучении движений было тензометрирование, широко применяемое и в настоящее время. Тензодатчики ставят на различные устройства и спортивные снаряды и по их дефор­мациям измеряют приложенные усилия (динамографические платформы для регистрации усилий отталкивания в ходьбе, беге, прыжке, дина­мографические весла, лыжи, коньки, гимнастические снаряды, штанга и т. п.). В результате подачи сигналов с двух тензосистем на луч осцил­лоскопа на экране возникает изображение усилия, по которому можно определить вектор силы (в е к т о р д и н а м о г р а ф и я) (И. П. Ратов, 1960). .

Далее стала применяться электрогониография — изме­рение и запись суставных углов посредством гониометра, прикреплен­ного к сочлененным звеньям, а также акселерография — измерение ускорений при помощи датчика ускорений, прикрепляемого в ускоряемой точке. Во всех этих методах механические характери­стики посредством преобразования их в электрические сигналы реги­стрируются в течение выполнения движений с одновременной электри­ческой отметкой времени.

В качестве метода исследования движений стала применяться электромиография, позволяющая приближенно судить о начале, интенсивности и окончании электрической активности мышц. Применение этого метода при изучении разных спортивных упражне­ний (бег, плавание, метания, гимнастика и т. п.) дает возможность изучать совместное действие мышц в сложных условиях.

Считаются перспективными сложные стереофотоэлектронные методы регистрации координат точек с автоматической обработкой данных и мгновенным определением координат, скоростей и ускорений точек.

Многоканальная запись различных характеристик обеспечивает полную их синхронизацию (точное взаимное соответствие во времени). Расчетные методы получения ряда характеристик (усилий, ускорений) заменяются их непосредственной регистрацией. Автоматические устройства, подсоединяемые к регистрирую­щим приборам, позволяют немедленно и с высокой точностью вычислять производные характеристики, а также определять количественную меру их взаимозависимостей. При совмещении в кинокадре движуще­гося спортсмена и экранов осциллоскопов обеспечивается синхронная регистрация картины движения и самых различных характеристик и показателей. Наконец, применение электронных вычислительных ма­шин открывает возможности не только тщательной математической обработки данных регистрации, но и математического моделирования в качестве метода изучения движений.

В применении электротехнической аппаратуры не преодолены еще многие трудности, но возможности ее использования очень велики.

3. СТАНОВЛЕНИЕ ТЕОРИИ БИОМЕХАНИКИ

С применением каждой новой методики, с накоплением фактических данных, с развитием смежных областей знания (механики, анатомии, физиологии, кибернетики) менялись критерии оценки получаемых результатов, появлялись умозаключения, выводы, постепенно склады­вающиеся в новое понимание явлений и процессов. Теория биомеханики как обобщение экспериментальных данных в свете определенных идей развивалась по нескольким направлениям.

3.1. Механическое направление

Механический подход к изучению движений человека позволяет определить количественную меру двигательных процессов, объяс­нить физическую сущность механических явлений, раскрывает огромную сложность строения тела человека и его движений с точ­ки зрения физики.

Хронологически первым было механическое направление в развитии биомеханики. Первую книгу по биомеханике «О движениях животных» (1679 г.)¹ написал ученик Галилея итальянский врач и математик Джовани Борелли. Исследование действия и противодействия, опре­деление центра тяжести тела человека, классификация локомоторных движений по источнику сил проводились с позиций механики. Физио­логи братья Вебер (1836 г.) изучали ходьбу человека тоже с позиций механики, сравнивая движения шагания с качаниями маятников (их гипотезы в последующем во многом не подтвердились).

Изучению механических характеристик движений были посвящены исследования В. Брауне и О. Фишера. В последнее время развитие механического направления наиболее ярко представлено в пособиях по биомеханике Г. Хохмута (ГДР), А. Новака (ЧССР) и др.

Применение законов механики в биомеханике совершенно необхо­димо, но оно недостаточно, если речь идет только о механике неизме­няемого тела. 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 исклю­чить, имеют определяющее значение для движений человека. Безраз­личие к источнику силы в механике сменяется крайним интересом к этому вопросу в биомеханике. Наконец, углубленное изучение именно механических закономерностей движений организмов требует выявле­ния немеханических причин особой сложности в проявлении актив­ности биомеханических систем.

3.2. Функционально-анатомичесное направление

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

Изучая форму и строение органов опоры, а также движения чело­века в тесной связи с их функцией, анатомы исследовали преимущест­венно двигательный аппарат. Аналитическое изучение тела человека преобладало в работах О. Фишера, Р. Фикка, Г, Брауса, С. Моллье и других зарубежных анатомов.

Вместе с тем расширялось изучение функций двигательного аппа­рата как целого. Один из основателей функциональной анатомии П. Ф. Лесгафт рассматривал все системы и органы прежде всего во взаимодействии, как части единого целостного живого организма. Высоко оценивая возможности формообразующего влияния функций, П. Ф. Лесгафт одним из первых начал разрабатывать научные основы физического образования детей и молодежи. Функционально-анатоми­ческое направление развивалось учениками П. Ф. Лесгафта и продол­жателями его учения А. А. Красуской, Е. А. Котиковой, Е. Г. Котельниковой и др. Большой вклад в учение о движениях внес М. Ф. Иваницкий, разрабатывавший раздел курса анатомии — двигательный аппарат как целое (динамическая анатомия). Во многих странах наука о движениях — кинезиология — представляет собою в настоящее время своеобразное сочетание механического и функционально-анатомического направлений.

Для анатомического направления в целом характерен описательный подход — преимущественно качественные характеристики при незна­чительном применении количественной меры. Мало используются электромиографические методы и измерения механических характеристик, что придает выводам во многих исследованиях в этой области несколько предположительный характер.
3.3. Физиологическое направление

Физиологическое направление в биомеханике утвердило пред­ставление о рефлекторной природе движений, кольцевом характере управления движениями 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 рефлекторной природы двига­тельных действий и механизмов нервной регуляции при взаимодейст­вии организма и среды в работах И. М. Сеченова, И. П. Павлова, Н. Е. Введенского, А. А. Ухтомского, П. К. Анохина, Н. А. Бернштейна и других ученых составляет физиологическую основу изучения движений человека. Результаты многочисленных, проведенных за последние десятилетия во многих странах мира исследований механиз­мов центральной нервной системы и нервно-мышечного аппарата позво­ляют наиболее полно представить высокую сложность управления движениями.

Исследования Н. А. Бернштейна, ставшие уже классическими, дали результаты, которые привели его в свое время к новой системе взглядов на движения и управление ими. Развивая идеи И. М. Сече­нова о рефлекторной природе управления движениями путем исполь­зования чувствительных сигналов, Н. А. Бернштейн выдвинул положе­ние о кольцевом характере 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 управлению движениями. Выявлен­ные особенности управления движениями показали, насколько были неверны прежние упрощенные объяснения механизма движений.

3.4. 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 объеди­няет механическое, функционально-анатомическое и физиологи­ческое направления в развитии теории биомеханики.

По современным представлениям, опорно-двигательный аппарат рассматривается как сложная биомеханическая система; движения человека также изучаются как сложная целостная система.

Понятие о системе, в которой множество элементов (ее состав) закономерно объединено взаимными связями, взаимозависимостью (ее структура), характерно для современного научного представления о мире. Системно-структурный подход 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, рассматривать во взаимосвязи строение и функцию.

Идеи о системности внес в изучение двигательной деятельности также Н. А. Бернштейн. Кибернетический, по сути дела, подход 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.
4. СОВРЕМЕННЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ БИОМЕХАНИКИ

4.1. Теоретические основы

В процессе длительного развития биомеханики сложились ее совре­менные теоретические основы: признание рефлекторной природы систем движений при сложном сочетании произвольного и автоматического управления ими; объяснение механической стороны движений тела человека (биомеханической системы) с точки зрения механики не только абсолютно твердого тела, но и деформируемого тела; рассмотре­ние двигательных действий как систем, состоящих из множества вза­имосвязанных движений; признание зависимости выполнения систем движений и их эффективности от сочетания множества взаимосвязан­ных внутренних и внешних факторов.

Современная биомеханика относится к биологическим наукам но­вого типа, широко использующим физико-математические подход и методы. Биомеханика человека в целом имеет педагогическую на­правленность: основная цель биомеханических исследований — совершенствовать двигательную деятельность человека в различных ее проявлениях.

4.2. Методики исследования

Биомеханическое исследование требует совместного изучения меха­нических и биологических сторон движений с возможно более точной количественной мерой и вскрытием взаимосвязей в системах движений (их структур).

Методики биомеханического исследования имеют в соответствии с системностью движений комплексный характер. Изучение движений проводится с синхронной регистрацией ряда существенных характе­ристик при высокой точности и быстроте измерений. В методиках биомеханического исследования используются отдельные методы ре­гистрации из смежных научных дисциплин, а также достижения современной техники. Они позволяют полнее отразить специфику движений человека в ее современном теоретическом понимании.

4.3. Практическое применение

Области двигательной деятельности человека, где используются методы современной биомеханики, обширны. В первую очередь они используются там, где оценка эффективности движений наиболее важна, например в биомеханике спорта.

Биомеханика приобретает все большее значение в изучении взаимо­действия человека и машины — в проблемах инженерной психологии, учитывающей специфику двигательной деятельности человека. В раз­работке проблемы человек — машина важную роль играет биомеха­ника труда, которая часто смыкается с физиологией труда (устройство рабочего места, оценка рабочих операций и т. п.).

Деятельность человека в условиях космоса (в невесомости, особенно вне космического корабля) нуждается в биомеханическом обосновании и контроле над овладением навыками в необычных условиях.

Биомеханика нередко играет ведущую роль при восстановлении утраченной трудоспособности, особенно в протезировании инвалидов, обеспечивая более точное решение поставленных задач (оценка функ­циональных возможностей, создание замещающих конструкций, конт­роль над овладением движениями).

В меньшей степени используется биомеханика в искусстве, где выразительность движений допускает большую их вариативность и не требует строгой количественной точности.

Везде задача сводится к раскрытию, дальнейшему совершенство­ванию и лучшему применению двигательных возможностей человека, В РФ наибольшее развитие получила биомеханика физических уп­ражнений, особенно спортивных (биомеханика спорта).

4.4. Биомеханика физических упражнений

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

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

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

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

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

1.ОБЩИЕ ДАННЫЕ О ТЕЛЕ ЧЕЛОВЕКА

Тело человека представляет собой с точки зрения механики объект величайшей сложности. Оно состоит из частей, которые с большой степенью точности можно считать твердыми (скелет) и деформируемых полостей (мышцы, сосуды и пр.), причем в этих полостях содержатся текучие и фильтрующиеся среды, не обла­дающие свойствами обычных жидкостей.

Тело человека в общих чертах сохраняет строение, свойствен­ное всем позвоночным: двуполярность (головной и хвостовой кон­цы), двустороннюю симметрию, преобладание парных органов, наличие осевого скелета, сохранение некоторых (реликтовых) признаков сегментарности¹ (метамерии) и т. п.

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

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

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

На туловище человека обозначают два конца— черепной, или кра­ниальный и хвостовой, или каудальный и четыре поверхности — брюшную, или вентральную, спинную, или дорсальнуюи две боко­вых — правую и левую.

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