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: 21 из 26

Тема 15. ДВИЖЕНИЯ ВОКРУГ ОСИ И ПЕРЕМЕЩАЮЩИЕ ДВИЖЕНИЯ

1. Условия вращательного движения 2. Способы управления движениями биомеханической системы вокруг осей 3. Управление вращением тела 4.Механизмы скоростных движений 5.Виды перемещающих действий

Движения вокруг оси широко представлены в физических упраж­нениях (вращательные упражнения в гимнастике, акробатике и др.). В движениях тела человека в пространстве всегда имеются оси враще­ния, вокруг которых движутся звенья тела. При переменном радиусе вращения — это сложное движение, которое рассматривают как вра­щательное вокруг оси и поступательное вдоль радиуса вращения.

1. УСЛОВИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

Поскольку в состав движений вокруг оси всегда входит вращатель­ное движение, необходимо рассмотреть сначала его закономерности для твердого тела и биомеханической системы.

1.1. Источник центростремительного ускорения

Удерживающее тело, действуя на вращающееся, искривляет траектории его точек по направлению к центру. Действие удержи­вающего тела измеряется центростремительной силой, вызываю­щей центростремительное ускорение.

При криволинейном движении направление вектора линейной ско­рости точки тела непрерывно изменяется. Происходит поворот вектора скорости в сторону центра вращения. Вектор скорости изменяется по направлению — налицо нормальное (центростремительное) ускоре­ние. Причина этого ускорения — поворачивающая центростре­мительная сил а. По 3-му закону Ньютона, сила есть мера вза­имодействия двух тел: одно тело — вращающееся, другое тело — удер­живающее. Действие последнего служит источником центростремитель­ных ускорений. Действие удерживающего тела — причина искривле­ния траекторий точек вращающегося тела.

1.2. Оси вращения

Ось вращения может быть закрепленной, связанной с удерживаю­щим телом, и свободной, когда нет внешнего удерживающего те­ла (в свободном полете).

Ось вращения нередко представляет собой внешнее для человека материальное тело, закрепленное неподвижно. Гимнаст, например, держится за гриф перекладины непосредственно, имеет с ним прямой контакт. Линия, проходящая через точки подвеса гимнастических колец, также является закрепленной внешней осью; гимнаст с нею связан уже не непосредственно, а через тросы колец. Но в обоих случаях это закрепленные внешние оси.

При вращении звеньев тела человека в суставах ось вращения всегда проходит внутри тела. Одно звено связано с другим суставно-связочным аппаратом и мышцами, переходящими через сустав. Здесь имеются закрепленные внутренние оси.

При вращении всего тела спортсмена в свободном полете ось вра­щения проходит через ОЦТ тела, но ни с каким внешним телом не свя­зана. Она движется с ОЦТ по любой его траектории. Ось вращения тела человека, не имеющего опоры, свободная.

Вращательное движение твердого тела с кинематической стороны характеризуется расположением оси вращения. От расстояния каждой точки тела до оси вращения (радиус вращения) зависят их линейные скорости и ускорения; они прямо пропорциональны радиусу вращения (v=wr; a=r).

Закрепленные оси вращения (внешние и внутренние) характеризуют вращатель­ное движение твердого тела также и с динамической стороны. Они свя­заны с удерживающим телом, которое вызывает искривление траектории точек, изменяет направление их скоростей.

1.3. Взаимодействие вращающегося и удерживающего тел

Центростремительная сила — это мера действия удерживающего тела на вращающееся. Она вызывает искривление траектории в за­висимости от массы, скорости и радиуса вращения. Центробеж­ная сила (инерции) — противодействие вращающегося тела искривлению его траектории — приложена к удерживающему телу. Обе силы приложены к разным телам, и поэтому не уравновеши­вают одна другую.

Удерживающее тело действует на вращающееся центростреми­тельной силой, которая направлена перпендикулярно движению ОЦТ в сторону вогнутости траектории (центра кривизны). Центростреми­тельная сила есть мера действия удерживающе­го тела на вращающееся; она приложена к вра­щающемуся телу в месте связи с удерживающим телом. Вращающееся тело получает центро­стремительное ускоре­ние, вызванное дейст­вием центростремитель­ной силы.

В свою очередь, вра­щающееся тело оказы­вает неуравновешенное сопротивление своей силой инерции, направ­ленной прямо противо­положно центростремительной силе и приложенной к удерживающему телу. Это — центробежная сила --сила инерции вращающегося тела.

Центробежная сила всего тела равна сумме центробежных сил всех его частиц. Центростремительная сила больше, если у вращаю­щегося тела масса больше, поворот круче и особенно если велика скорость вращения (квадратичная зави­симость).

В теле человека при вращательном движении каждое звено, распо­ложенное ближе коси вращения, для соседнего звена, расположенного дальше от оси вращения, играет роль удерживающего тела.

При вращении в свободном полете нет внешнего удерживающего тела, нет и внеш­ней центростремительной силы. Все внутренние силы в теле взаимно уравновешиваются и не оказывают влияния на траекторию ОЦТ. Но они удерживают частицы тела около оси вращения. Центробежные силы частиц одной половины тела служат центро­стремительными силами для частиц другой половины, расположенной по другую сторону от оси.

В биомеханической системе при вращении действуют многочисленные центро­стремительные и центробежные силы частей тела, его органов и тканей (в том числе и жидких). В результате возникают деформации и напряжение. Когда центростреми­тельные ускорения больше, увеличиваются напряжения тканей, передающих нагрузки (мышцы, суставно-связочный аппарат), и деформации.

При увеличении F_цс части тела приближаются к ОЦТ, уменьшается радиус вращения (группирование). При уменьшении F_цс движение происходит в обратном направлении (разгруппиро­ван и е). Здесь к вращательному движению каждого звена тела при­соединяется поступательное — вдоль радиуса: приближение частей тела к оси и отдаление от нее, т. е. укорочение и удлинение радиуса вращения. Изменение радиуса вращения превращает вращательное (простое) движение в составное движение вокруг оси.

Такое движение вокруг оси с изменением радиуса вращения, по сути дела, встре­чается не только в полете, но и почти во всех движениях человека. Кинематические цепи конечностей укорачиваются и удлиняются (сгибаясь и разгибаясь). Да и в каж­дом суставе, строго говоря, нет постоянной геометрической оси вращения, так как форма суставных поверхностей не бывает геометрически правильной. А при больших нагрузках гиалиновые суставные хрящи еще вдобавок деформируются. Поэтому даже в каждом суставе движение не чисто вращательное; траектории точек звена имеют переменную кривизну.

Во многих случаях изменениями радиуса вращения, как очень малыми, можно. пренебречь. Но вместе с тем в большей части движений изменения радиуса вращения велики и играют существенную роль. Здесь уже нельзя ими пренебрегать и сводить сложное движение вокруг оси к простому вращательному. Наоборот, необходимо вы­явить, как с изменением радиуса изменяется движение вокруг оси.

Следовательно, в теле человека центростреми­тельные силы, направленные к его оси вра­щения, могут, изменяя позу, уменьшать ра­диус вращения (группирование), тогда про­стое движение (вращательное) превращается в сложное (одновременно вокруг оси и вдоль радиуса),

2. Способы управления движениями биомеханической системы вокруг осей

Способы управления движениями всей биомеханической системы вокруг осей в целом и для ее частей делятся на две группы: а) с изменением кинетического момента системы и б) с сохране­нием кинетического момента системы.

Для изменения кинетического момента системы необходимо прило­жение внешней силы. Используют следующие возможности: 1) прило­жение к системе момента внешней силы — внешний тол­чок без изменения позы, для чего необходим источник внешней силы — внешнее физическое тело (сила тяжести, действие среды, сила другого человека и др.); 2) изменение действия внешней силы путем активного изменения позы (например, изменения момента силы тяжести и момента инерции сис­темы, достигаемые приближением тела к оси или отдалением от нее); 3) активное действие спортсмена (отталкивание или при­тягивание), создающее момент внешней силы (например, отталкивание при сальто, перевороте). В первом способе не требуется мышечной активности, вызывающей движение, спортсмену нужно только сохранить позу. Во втором способе именно мышечная активность спортсмена позволяет изменить и использовать механиче­ские условия движения вокруг оси. В третьем способе спортсмен сам создает необходимый момент внешней силы. Во всех случаях приложены к системе и изменяют ее движение внешние силы. Все эти способы применимы при опоре, а первый и в полете как в случае предваритель­ного вращения, так и без него.

Для изменения движения биомеханической системы вокруг оси по принципу сохранения кинетического момента существуют способы управления: а) с изменением момента инерции всей системы и б) с соз­данием встречных движений частей системы.

В случае предварительного вращения, то есть когда кинетический момент системы не равен пулю, изменение момента инерции достигается изменением радиуса инерции. Широко известный прием — группирование — уменьшает момент инерции и увеличивает угловую скорость, разгруппирование производит прямо противо­положный эффект. При отсутствии опоры движения группирования и разгруппирования всегда представляют собой встречные движения.

Способы, основанные на создании встречных движений частей систе­мы, не требуют исходного кинетического момента. Их можно разде­лить на две группы. Во-первых, встречное простое вращение вокруг одной оси посредством скручивания тела и его рас­кручивания вокруг продольной оси. Естественно, что эти движе­ния имеют анатомически ограниченный размах. Во-вторых, встречные сложные вращения вокруг нескольких осей, создавае­мые круговыми движениями — кружениями ко­нечностей и изгибаниями туловища (например, при выполнении поворотов в прыжках в воду.

Скручивания и раскручивания могут выполнять­ся и при опоре и без нее (в полете). Одни части тела поворачиваются в одну сторону, другие в это же время в противоположную. Ориентация в пространстве каждой из поворачивающихся частей изменяется, но общая ориентация всей системы в целом обычно сохраняется.

Кружение конечностей и изгибания туло­вища могут выполняться и порознь и совместно. В обоих случаях при достаточно интенсивном и длительном движении частей тела воз­можны существенные изменения ориентации всей системы (до 360°, 720° и более).

Угловое ускорение зве­на или всей системы зави­сит от соотношения прило­женного к объекту момента внешней относительно него силы и его момента инер­ции относительно оси вра­щения. Значит, в создании углового ускорения могут быть использованы измене­ния момента внешней силы, момента инерции и того и другого одновременно.

Совершенно очевидно, что все способы изменения движения системы вокруг оси, вызываемые изменением позы тела, обуслов­лены работой внутренних сил системы, мышечными силами человека. Во всех случаях пе­ремещения частей системы по радиусу относительно оси вра­щения изменяется момент инерции. Но сводить все эти способы только к влиянию изменения момента инерции не следует.

Дело в том, что с изменением конфигурации тела его момент инерции, радиус центра тяжести и приведенная длина маятника изменяются не одина­ково (рис. 63). Поэтому в зависимости от характерных особенностей выполняемого упражне­ния изменение скорости вращения в движениях вокруг оси целесообразно делать выбранным способом в соответствующем месте траектории, т. е. в момент, наиболее пригодный для выполнения этой задачи данным способом. А для этого надо изучать в конкретных упражнениях усло­вия, при которых более выгоден тот или иной способ влияния на вращение.

Таким образом, спосо­бы управления движения­ми биомеханической сис­темы вокруг оси можно свести к следующим.

С изменением кинетического момента системы:

1) приложением внешней силы (импульса момента) ускорение или замедление вращения всего тела при сохранении позы;

2) изменением условий действия внешней силы (приближение к за­крепленной оси и отдаление от нее) ускорение или замедление вращения всего тела;

3) активным созданием момента внешней силы (отталки­вание от опоры или притяги­вание к ней) ускорение или замедление вращения всего тела.

С сохранением ки­нетического момента системы:

4) группированием и разгруппированием (приближение к свободной оси и отдаление от нее) ускорение и замедление вращения всего тела;

5) скручиванием и раскру­чиванием тела вокруг продоль­ной оси (одновременный встреч­ный поворот) изменение ориен­тации частей тела в простран­стве;

6) круговыми движениями конечностей и изгибаниями ту­ловища создание сложного вра­щения всего тела.

В конкретных задачах и условиях их выполнения часто применя­ются сочетания разных способов изменения вращения биомеханиче­ской системы.

3. Управление вращением тела

Вращательные упражнения различают прежде всего по отношению тела к опоре. От связи с опорой зависит, имеются ли обусловленные ею внешние силы, изменяющие вращение, закреплена ли ось вращения. Поэтому данную группу упражнений делят на упражнения при опоре и без опоры (в полете). При анализе этих упражнений очень важно учитывать законы движений вокруг оси, относящиеся к сочетанию вращательного движения (вокруг оси вращения) с поступательным (вдоль радиуса вращения). Вращательные упражнения широко распространены в спортивной технике. Элементы их встречаются почти в каждом спортивном упражнении, коль скоро движения звеньев вы­полняются вокруг оси суставов.

Повороты. Сложность поворотов далеко не всегда оп­ределяется их величиной, хотя при прочих равных усло­виях такая зависимость проявляется очень четко. Слож­ность может быть координационного плана, она может заключаться в сохранении устойчивости тела, в ограни­ченности времени выполнения, в большом силовом за­просе.

Сложности координационного плана появляются тог­да, когда нет хорошей опоры для развития необходимого вращающего момента либо когда поворот приходится вы­полнять на фоне другого частного действия, достаточно сложного или трудносочетаемого с поворотом. Примеры:

поворот в стойке на одной ноге или тем более на одной ру­ке; повороты при ведении мяча на бегу (баскетбол); пово­рот во время кувырка или сальто. Во всех этих случаях нужен, конечно, специфический навык, но в то же время во втором и в третьем случаях требуется и неспецифичес­кое умение распределять внимание между двумя различ­ными действиями.

Очень часто выполнить сам по себе поворот неслож­но, по трудно сохранить устойчивость тела во время по­ворота и после него. Таковы повороты в сложных равно­весиях (на руках, на одной ноге, на ограниченной опоре), в быстром движении, в прыжке, заканчивающемся стати­ческим положением, особенно сложным равновесием. Вы­полняя такого рода поворот, следует очень «жестко» дер­жать тело и точно рассчитывать величину и особенно на­правление вращающих моментов, обязательно имея в ви­ду конечное положение. Следует помнить, что быстрые по­вороты на большой угол могут вызвать сильное раздражение вестибулярного аппарата, приводящее к опреде­ленному непроизвольному перераспределению мышечного тонуса и потому к затруднениям в сохранении устойчиво­сти. Если при поворотах без перемены места опоры труд­ность состоит в сохранении положения ц. т. тела неизмен­ным (или по крайней мере в небольшой области допусти­мых перемещений), то при поворотах, связанных с пере­меной места опоры, — в умении переместить ц. т. тела точно в заданную область (выбранную с учетом количе­ства движения и кинетического момента тела).

Иной раз требуется совершить поворот на большой угол за очень короткое время. Чтобы успеть это сделать, надо начинать поворот как можно раньше: необходимые мышечные напряжения и опорные взаимодействия в та­ких случаях нужно развивать еще до того, как станет за­метным сам поворот. Ведь необходимо время на напря­жение мышц, на «микродвижения», связанные с дефор­мациями опорных, да и других звеньев биомеханической цепи, на малозаметные «скручивания» таза или пояса верхних конечностей, как бы предшествующие основной части поворота, на «закручивающие» движения руками или ногой (ногами).

Когда основным препятствием для выполнения пово­рота является его большой силовой запрос (в борьбе, в некоторых элементах спортивной гимнастики), следует, во-первых, увеличить плечо вращающей силы (конечно, в разумных пределах): это позволит развить нужный мо­мент, снизив мышечные усилия; во-вторых, уменьшить мо­мент инерции поворачиваемого тела (или системы тел).

Угловой скоростью тела можно управлять путем изме­нения его момента инерции относительно оси вращения:

Выполнение безопорных поворотов без переворачива­ния (в прыжке, в соскоке) может быть основано на трех различных механизмах. Первый — «закручивание» (сооб­щение вращательного импульса) от опоры, как при опор­ном повороте. Второй (поворот туловища на угол менее 180°) — широкое разведение ног и рук, момент инерции которых относительно продольной оси тела в этом случае много больше, чем у туловища: поворот туловища влечет за собой лишь небольшой, противоположно направленный поворот ног и рук. Поворот же конечностей вокруг их про- _ дольных осей противоположно направлен и потому частично взаимно компенсируется. Третий механизм—по­следовательное круговое сгибание тела: так называемые конусообразные движения ногами и туловищем в одном направлении, позволяющие в соответствии с законом со­хранения кинетического момента повернуть ноги и туло­вище вокруг их продольных осей в противоположную сторону. Так удается совершить поворот на угол до 360°, если времени для этого достаточно.

Повороты с одновременным переворачиванием осуще­ствляются как с использованием первого и третьего из названных механизмов, так и (в большей степени) меха­низма, впервые описанного В. Т. Назаровым, а затем Н. Г. Сучилиным. В этом случае для сообщения телу вра­щения вокруг продольной оси нужно вывести ее из плос­кости переворачивания тела, что достигается специальны­ми движениями руками или отталкиванием от опоры.