Инфо. Лекция № 1. Лекция 1 План лекции Предмет и метод биомеханики Задачи биомеханики
 Скачать 94 Kb.
|
|
Лекция № 1 План лекции 1. Предмет и метод биомеханики 2. Задачи биомеханики 3. Содержание биомеханики спорта и физических упражнений 4. Развитие биомеханики. Направления развития 5. Связь биомеханики спорта и физических упражнений с другими науками Литература 1. Д.Д. Донской, В.М. Зациорский Биомеханика. М., ФиС, 1979, с. 4-16 1. Предмет и метод биомеханики Биомеханика - само слово состоит из двух слов, био, что означает в переводе с латинского жизнь и механика - мы знаем - это раздел физики, изучающий простейшую форму движения тел - механическую. Из этих рассуждений следует, что «Биомеханика- наука о законах механического движения биологических объектов или сред». Биологический объект или, в широком смысле, живая система включает в себя целостные организмы, обитающие в земных условиях в воде, в воздухе, на земле. Биологическая среда - это жидкости, газы, двигающиеся в сосудах. Это кровь, лимфа, воздух в легких, пища в желудке, кишечнике. Есть спортивные виды, где спортсмены выполняют совместные действия. Например, пары или четверки акробатов. Противодействие борцов, боксеров. Действия гребцов (пары, четверки, восьмерки). Спортивные танцы. Фигурное катание и т.д. Из приведенного определения биомеханики как науки следует, что эта наука чрезвычайно обширна, поскольку мы знаем огромное количество движущихся биологических объектов. Их движение изучает общая биомеханика (рис.1).  А - аэробиомеханика Г - гидробиомеханика Н - биомеханика наземных перемещений биомеханика спорта Биомеханика человека − раздел общей биомеханики. Изучает механические закономерности движения человека. И, хотя человек не птица, но есть виды спорта, где человек вынужден летать и испытывать при этом все законы аэромеханики (например, прыжки на лыжах с трамплина). Человек не рыба и не морское животное, однако, пловцы (в плавании, в подводном плавании) испытывают на себе все законы гидродинамики. Большинство же движений человек осуществляет в наземных условиях и подчиняется законам наземных перемещений. Вот где-то в этой области и располагается специфичный и важный для нас раздел биомеханики спорта и физических упражнений. Биомеханика физических упражнений как учебная дисциплина изучает движение человека в ходе выполнения спортивных классических движений и большого числа общих и специальных упражнений, используемых в процессе обучения и совершенствования двигательных навыков. Объект познания биомеханики спорта − двигательные действия, как система взаимосвязанных активных движений. Область изучения — механические и биомеханические причины движений и зависящие от них особенности двигательных действий в различных условиях. Действия человека, которые изучаются в биомеханике спорта, в первую очередь включают в себя механическое движение, как цель действия (совершить прыжок, преодолеть препятствие, переместить снаряд). Но механическое движение осуществляется при ведущей роли более высоких форм движений (биологической, социальной ...) В этой связи биомеханика шире и намного сложнее, чем механика неживых тел. Из механики известно, что причинами движения являются силы (тяжести, трения, сопротивления). Эти же силы вызывают и движение человека. Однако главной основной силой приводящей человека и его звенья в движение являются силы мышечной тяги, а работа мышц управляется центральной нервной системой, т.е. обусловлена физиологическими процессами. В этой связи, чтобы понять природу движения живого, необходимо изучать не только механику движений, но и их биологическую сущность. Именно она лежит в основе организации механических сил. Живые объекты, в том числе и человек, обладают переменной жесткостью, движения в суставах сочетают вращательные и поступательные движения. Процессы утомления, изменение внешних условий определяют организацию движений. Таким образом, предмет биомеханики спорта определяется объектом познания (что изучается?), которым являются двигательные действия спортсмена (механические, биомеханические причины движения), а целью познания - совершенствование и рационализация системы движений, (повышение КПД системы). Метод биомеханики, как и любой науки, это тот основной способ изучения, путь познания закономерностей действий (в нашем случае спортивных движений). В биомеханике спорта это системный анализ и системный синтез действий с использованием количественных характеристик в процессе моделирования движений. Выявление состава системы движений, определение его элементов - первый этап познания целостности двигательного действия. Рассматривая характеристики, мы мысленно делим целостное движение, выявляем роль и значение каждого элемента - в этом заключается системный анализ действий. Но определить состав системы движений для познания - этого мало. Необходимо определить, анализируя характеристики, выясняя, как элементы связаны друг с другом, как они влияют на результативность, т.е. определить принцип организации целостности. В этом заключается системный синтез — неотъемлемая часть познания любой системы Функциональный метод широко применяется в современных биомеханических исследованиях, при этом изучается функциональная зависимость между свойствами и состоянием явлений. 2. ЗАДАЧИ БИОМЕХАНИКИ Задачи биомеханики спорта и физических упражнений определяют содержание этой области знаний и делятся на общую задачу и частные, определяющие изучение конкретных вопросов изучения движений. Общая задача изучения движений человека в биомеханике спорта − оценка эффективности приложения сил для более совершенного достижения поставленной цели. Это определение своего рода коэффициента полезного действия (КПД). Например: в метании копья усилие, прилагаемое вдоль оси, вызывает ускорение, направленное под оптимальным углом вылета и определяет начальную скорость — основной фактор, обеспечивающий дальность полета. Но приложить усилие точно вдоль оси снаряда даже спортсменам экстра-класса не удается. В  F эксперименте с Я. Лусисом (экс рекордсменом мира) было зарегистрировано усилие вдоль копья и поперек его (рис.1) П 20% t ри этом усилие направлено на изгиб снаряда (не полезное) составляло по импульсу силы 20% от импульса силы, направленного вдоль оси. Таким образом, эффективность приложения силы составила даже у такого спортсмена 80%. Рис.1. Усилие вдоль копья и поперек его. Частные задачи биомеханики спорта решают три основных вопроса: а) Строение и свойства двигательной функции тела спортсмена; б) Рационализация спортивной техники; в) Техническое совершенствование спортсмена. А) Эта задача включает в себя изучение самих спортсменов, их особенностей и возможностей. Фактически многие особенности движений зависят от объекта движения тела человека, строения его опорно-двигательного аппарата, механических свойств и функций с учетом возрастных, половых, квалификационных особенностей. Б) Поиск рациональной спортивной техники как способа решения двигательной задачи - проблема биомеханическая и решением ее занимаются специалисты - биомеханики вместе со спортсменами и тренерами. История развития любого вида спорта показывает, в каком направлении развивалась биомеханическая мысль при решении этой задачи. Например: «рационализация техники прыжков в высоту - от перешагивания, волны, переката, перекидного, до фосбери – флоп». В) Техническое совершенствование спортсмена - задача индивидуализации спортивной техники. В этом случае биомеханические подходы позволяют выявить особенности движений конкретного спортсмена, уровень развития его двигательных качеств и на этом основании повысить эффективность освоения современной рациональной техники. Например: для скоростного спортсмена в прыжках в высоту следует обратить внимание на использование ее скорости в разбеге и при отталкивании. Прыгун, обладающий мощным толчком, за счет силового компонента должен использовать силу толчка. При высоком уровне гибкости — активно использовать маховые движения при отталкивании и при переходе через планку. 3. СОДЕРЖАНИЕ БИОМЕХАНИКИ СПОРТА И ФИЗИЧЕСКИХ УПРАЖНЕНИЙ Биомеханика как наука и учебная дисциплина представляет собой совокупность накопленных теоретических и практических знаний. При этом разрабатываются пути получения этих знаний - методы биомеханики. Теория и методы биомеханики в виде соответствующих понятий, законов и подходов к исследованию раскрывают содержание биомеханики. 3.1. ТЕОРИЯ БИОМЕХАНИКИ СПОРТА. В основе теории биомеханики спорта лежит механическая обусловленность движений и их рефлекторная природа на основе принципа нервизма. Причиной всех движений являются действия механических сил различного происхождения в полном соответствии с законами механики. При этом в основу понимания двигательных действий заложен системно - структурный подход, рассматривающий тело человека как движущуюся систему, а процессы движения - как развивающуюся систему. Н.А. Бернштейн замечал: «Движение не есть цепочка деталей, а структура, дифференцирующаяся на детали, - структура целостная, при наличии в то же время высокой дифференциации элементов и разнообразно-избирательных форм взаимоотношений между ними» Теория структурности включает следующие основные принципы: а) принцип структурности построения систем движения - все движения в системе взаимосвязаны; эти структурные связи определяют целостность и совершенство действия. б) принцип целостности действия - все движения в двигательном действии единое целое, направленное на достижение цели. в) принцип сознательной целенаправленности - определяет цель и осуществляет управление движениями для достижения цели. Метод биомеханики. Системный анализ, включающий определение состава системы движений. Системный синтез — объединение, соединение элементов системы, связи, влияния, закономерности объединения. Т.е. выявление структуры системы. Функциональный метод — выявляет зависимость между свойствами и состоянием явлений, в нашем случае между характеристиками движений, состоянием спортсмена и результативностью. 4. РАЗВИТИЕ БИОМЕХАНИКИ СПОРТА. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ. Биомеханика - наука совсем еще молодая. 1 конференция по биомеханике спорта в СССР состоялась в 1974 году в г. Киеве, а по общей биомеханике в 1975 году в г. Риге. А с другой стороны, биомеханика как наука возникла еще в древние времена, во времена римских гладиаторов, когда врач Гален проводил первые анатомические опыты и пытался определить функциональные особенности в работе мышц. Возникновение и развитие биомеханики тесно связано с развитием механики. Еще Леонардо да Винчи утверждал, что «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». Достижения теоретической механики, описывающей основные законы механического движения в водной среде, в воздухе и при наземных перемещениях легли в основу изучения движения живых существ, в частности, спортивных движений человека. Математические науки находят все большее применение в биомеханических исследованиях и это не только статистические методы обработки экспериментальных данных, но и методы математического моделирования. Из биологических наук в биомеханике человека в первую очередь использовались данные анатомии и физиологии. В дальнейшем, особое влияние на развитие биомеханики оказали функциональная анатомия и идеи нервизма в современной физиологии. Таким образом, складывались основные направления в развитии биомеханики: механическое, функционально-анатомическое, физиологическое. Эти направления существуют и в настоящее время и входят органично в современное направление, определяемое как системно — структурный подход. Таким образом, в биомеханике исторически сложилось три основных направления развития: механическое, функционально-анатомическое, физиологическое. Современный подход объединяет все эти направления, поскольку рассматривает движения человека (в спорте) с позиций системно-структурного подхода, используя при анализе и синтезе движений механическую, анатомическую и физиологическую информацию. Механическое направление. Его начало связывают с именем Д.Борелли, итальянским врачом и математиком. В 1679 году им была опубликована книга «О движении животных», где использовались механические законы движения рычага. Там же была изложена классификация локомоций человека и животных по способу взаимодействия с окружающей средой (отталкивание и притягивание к опоре). Но, ради справедливости, стоит отметить работы по биомеханике, сделанные ранее великим итальянским художником, ученым, физиком, математиком, архитектором, инженером и анатомом Леонардо да Винчи (1452-1519г.). С полным правом можно назвать его одним из первых биомехаников. Он впервые высказал мысль о подчинении движения тела человека законам механики. Им было математически описано более 50 видов походок человека. Немецкие ученые, братья В. и Э. Вебер в 1836 году опубликовали свой труд по биомеханике ходьбы, используя в своих опытах объективные методики, позволяющие регистрировать ряд механических характеристик (длительность шагов, двойной опоры, колебания туловища). Дальнейшее развитие этого направления в биомеханике связано с появлением фотографии. Последовательные снимки Майбриджа в 1877 году впервые дали возможность зарегистрировать движения бегущей лошади. Работы Марея и Демени привели к появлению киносъемки и метода хронографии, при котором вращающийся перед объективом диск с отверстиями позволял запечатлеть на неподвижной пластинке ряд последовательных положений (поз) движущегося объекта. Равные промежутки времени между экспозициями давали возможность учесть этот фактор в движении. Последующие опыты Марея по исследованию движений человека, используя блестящие полосы, а затем, светящиеся лампочки, закрепленные на теле, позволили измерять пространственные координаты движущихся точек, увеличивая частоту съемки. В 90-х годах 19 столетия немецкие ученые В. Брауне и О. Фишер, определяя относительные массы частей тела, расположение их центров тяжести, а также скорости и ускорения, осуществили расчет сил, вызывающих эти ускорения. Этот метод получил название циклограмметрии. Впоследствии Н.А. Бернштейн усовершенствовал этот метод и получил обширные материалы исследования трудовых и спортивных движений, заложив основы теории управления движениями (координации движений) В настоящее время этот подход кроме нашей страны успешно развивается в Германии, Польше, США. Механический подход позволяет определить количественную меру движения человека и его двигательных процессов. Это одна из главных основ биомеханики. Выявление особенностей строения и свойств опорно-двигательного аппарата немыслимо без использования механического направления в биомеханике человека. К недостаткам этого подхода можно отнести порой неоправданные упрощения, некоторую недооценку специфики физики живого. Функционально- анатомическое направление в развитии биомеханики. Одно из первых открытий в области биомеханики принадлежит Клавдию Галену - врачу школы гладиаторов в Пергаме (131-201 г.г. до н. э.). Он доказал, что от мозга по нервам к мышцам поступают двигательные импульсы, вызывающие сокращение мышц и движение в суставах. В нашей стране это направление развивалось трудами П.Ф. Лесгафта, И.М. Сеченова, М.Ф. Иваницкого. Для этого направления характерным является описательный анализ движений в суставах, определение участия мышц в сохранении положений тела и его движений. Изучение биомеханики физических упражнений в тесной связи с анатомическими исследованиями было введено П.Ф. Лесгафтом (1837-1909г.). Разрабатывая основы теоретической анатомии, П.Ф. Лесгафт стремился к установлению связи между формой и функцией органов, изучая общие закономерности строения двигательного аппарата. В частности, он объединял в своем учении костную и мышечную системы, поскольку они связаны общей функцией. Существенный вклад в развитие функционально-анатомического направления внесли труды М.Ф. Иваницкого «Записи по динамической анатомии» (1934г.), «Движение человеческого тела» (1938 г.), «Анатомия человека» (1956 г.). Эти работы выходят за рамки обычного курса анатомии. Они в значительной степени сближены с биомеханикой физических упражнений. Однако в этих трудах преобладает описательный характер, пока что здесь не могло быть речи о количественном определении и анализе движений. В настоящее время все шире используется регистрация электрической активности мышц (электромиография), позволяющая определять время и степень участия мышц в движениях, согласованность в работе отдельных мышц и мышечных групп. С появлением этого метода в функционально-анатомическом направлении преодолевается его основной недостаток - описательный характер исследований. Физиологическое направление в развитии биомеханики складывалось под влиянием идей нервизма, учения о высшей нервной деятельности. Физиологические основы движений человека были заложены в работах И.М. Сеченова, И.П. Павлова, А.А. Ухтомского, П.И. Анохина, Н.А. Бернштейна, показавших рефлекторную природу двигательных действий, роль механизмов нервной регуляции при взаимодействии организма и среды. Фундаментальные труды этих ученых о регуляторных механизмах нервной системы и нервно-мышечного аппарата, дают представление о чрезвычайной сложности и совершенстве процессов управления движениями. Для научного объяснения движений первостепенное значение имели идеи И.М. Сеченова (1829-1905г.г.), раскрывшего рефлекторную природу всех произвольных и непроизвольных движений. В своей работе «Рефлексы головного мозга», 1863г., он показал, что «все разнообразие внешних проявлений мозговой деятельности сводится окончательно к одному лишь явлению — мышечному движению» Дальнейшее развитие физиологического обоснования движений связано с именем академика А.А. Ухтомского (1875-1942г.). В «Очерках физиологии нервной системы» и «Физиологии двигательного аппарата», он исследовал вопросы управления работой мышц, энергетические процессы мышц и биологические особенности их действий. Это направление было продолжено в работах А.Н. Крестовников, который в «Очерках по физиологии физических упражнений» (1951 г.) привел обширный материал по физиологической характеристике физических упражнений и показал роль анализаторов в физических упражнениях. Особенно следует отметить исследования Н.А. Бернштейна, признанного ныне основоположником спортивной и общей биомеханики. Он основательно исследовал и обосновал основные представления об управлении движениями человека, о координации движений, о проявлении ловкости - как психофизического качества. В ходе управления движениями осуществляется приспособление импульсов нервной системы (т.е. команд) по ходу движения с учетом конкретных условий его выполнения (внешних и внутренних). При этом осуществляются коррекции, устраняющие отклонения от задачи (модели) движения. Нейрофизиологические концепции Н.А. Бернштейна послужили основой современной биомеханики движений человека. СОВРЕМЕННЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ БИОМЕХАНИКИ СПОРТА. (Системно-структурный подход) Современный этап развития биомеханики спорта и физических упражнений является продолжением развития научных идей П.Ф. Лесгафта по теории телесных движений. В 1877 году П.Ф. Лесгафт начал читать этот предмет на курсах по физическому воспитанию. В институте физического образования им. Лесгафта в Ленинграде этот курс входил в предмет «Физическое образование», а в 1927 г. он получил собственное название «Теория движений». В 1931 году был переименован в курс «Биомеханика физических упражнений». С этого времени в институтах физической культуры стала разворачиваться учебная и научная деятельность по биомеханике спорта. А с 1958 года этот предмет был введен во всех институтах физической культуры - биомеханика стала обязательной учебной дисциплиной. Создавались кафедры, готовились учебные программы, учебники, пособия, готовились кадры преподавателей, защищались кандидатские и докторские диссертации. Подготовка спортсменов высокой квалификации сейчас не мыслима без глубокого биомеханического анализа и обоснования спортивной техники и методики ее совершенствования. Вышли книги, монографии, пособия по биомеханике видов спорта (табл.1). Таблица 1.
Сформировался целый ряд научных направлений в биомеханике спорта, объединенных общими основами отечественной школы биомеханики, заложенной трудами Н.А. Бернштейна. Значительно расширился объем биомеханических исследований, особенно в зарубежных странах в связи с использованием высокоточных методик и компьютерных технологий. 6. СВЯЗЬ БИОМЕХАНИКИ С ДРУГИМИ НАУКАМИ Общая биомеханика рассматривается в теории как часть биофизики, занимающаяся изучением внутриорганизменных биосистем. Эта наука возникла и развивается на стыке биологических и физико-математических областей знания (Рис.2). Биологические дисциплины, взаимосвязанные с биомеханикой: -Анатомия; -Физиология; -Биохимия; -Психология; -Медицина; -Ветеринария. Физико-математические науки тесно связаны с биомеханикой. К ним относятся: -Физика (механика, электроника); -Приборостроение; -Кибернетика; -Моделирование (физико-математическое, статистическое и т.д.) -ЭВМ (компьютерная техника); -Реология Общая биомеханика включает ряд разделов биомеханики: 1. Медицинская биомеханика тесно связана с: -протезированием -протезостроением; -травматологией; -ортопедией; -лечебной физической культурой; -космической медициной; -криминалистикой 2. Инженерная биомеханика решает задачи: -роботостроение; -манипуляторы; -эндоскелетоны связаны с бионикой; - инженерной психологией. 3. Биомеханика спорта взаимодействует с: -теорией и методикой физической культуры; -психологией спорта; -физиологией спорта; -врачебным контролем; -ЛФК; -ауксотологией; -биомеханикой видов спорта (рациональность и эффективность спортивной техники, развитие и совершенствование двигательных качеств, возрастные и квалификационные стандарты спортивной техники, особенности строения и функции тела спортсмена и т.д.)  ис.2. Связь биомеханики с другими науками. |