Модуль Биомеханические основы двигательного аппарата и двигательных действий

• Название: Модуль Биомеханические основы двигательного аппарата и двигательных действий
• Дата: 15.11.2021
• Размер: 1.34 Mb.
• Имя файла: modul_1_biomehanika (1).doc
• Тип: Документы; #272882
• страница: 5 из 8

Механическая работа и энергия при движениях человека.

Биомеханические характеристики тела человека и его движений.При анализе движений человека исходят из следующих допущений:

во-первых, большинство мышц скелета создают усилия поперек суставов и могут вызывать поворот сегментов тела, что позволяет рассматривать многие функции тела человека с позиции теории неодушевленных механизмом;

во-вторых, тело человека можно рассматривать как последовательность жестких сегментов тела; деформации мягких тканей и движение жидкостей внутри тела оказывают незначительное влияние на движение;

в–третьих, вектор мышечной силы, это прямая линия между проксимальным и дистальным прикреплениями, причем сила считается приложенной в точках прикрепления. Фактически мышца прикрепляется не в точке, а прикрепление распределено по площадке конечных размеров. Однако если размеры площади малы по сравнению с другими размерами системы, то усилие можно рассматривать, как усилие, приложенное в точке. Если площадь прикрепления мышцы значительна (например, у трапециевидной, большой грудной мышцы), то мышечное усилие может быть представлено несколькими линиями действия;

в-четвертых, движение в гравитационном поле вызывается несбалансированностью приложенных к системе сил (закон инерции). Механический анализ действия нескольких мышц, пересекающих сустав, в большинстве случаев позволяет определять результирующее мышечное усилие, а не силу, проявляемую отдельными мышцами.

Движения человека выполняются в трех взаимно перпендикулярных плоскостях: сагиттальной, фронтальной и горизонтальной. Сагиттальная плоскость делит тело на правую и левую части, фронтальная плоскость - на переднюю и заднюю части, горизонтальная плоскость - на верхнюю и нижнюю части. В соответствии с этим различают и три взаимно перпендикулярные оси: сагиттальную ось (переднезаднюю), фронтальную (поперечную) и вертикальную.

Продольная, поперечная и переднезадняя оси могут относиться и к каждой конечности. В анатомии для описания движений в суставах использую три типа основных движений вокруг этих осей, которые обозначаются так:

сгибание и разгибание – движения вокруг поперечной оси тела или сустава. При сгибании концевые части конечностей приближаются друг к другу или к туловищу, при разгибании – удаляются. Приближение одной из частей к другой (например, предплечья к плечу) именуется сгибанием, или флексией. Движение противоположного характера – разгибанием, или экстензией.

отведение и приведение – движения вокруг переднезадней (сагиттальной) оси во фронтальной плоскости, причем движение в сторону от сагиттальной оси называется отведением, а противоположное – приведением. Например, наклон туловища в сторону есть отведение, возвращениев исходное положение – приведение.

повороты или вращения – движения, совершаемые вокруг продольной оси тела или конечности. При обозначении вращения суставах конечностей эти движения принято называть супинацией (вращение наружу) и пронацией (вращение внутрь).

Фазные движения могут быть различной сложности и характера.

Движения классифицируют также по функциональному признаку. Различают движения ориентировочные, позоустановочные, пищедобывательные, оборонительные и др.

У человека движения контролируются центральной нервной системой (ЦНС), которая регулирует деятельность органов движения, реализуемой в последовательных мышечных сокращениях. Эту форму двигательной активности называют произвольными движениями или сознательными движениями, а согласованную деятельность мышечных групп при выполнении двигательного акта – координацией движений.

В формировании, регуляции и исполнении произвольной двигательной реакции, сложном многоступенчатом процессе участвуют все уровни нервной системы – спинной мозг, различные отделы образований головного мозга, периферические нервы, а также опорно-двигательный аппарат.

Наиболее точные знания по биомеханике движений и механизмам рефлекторной регуляции движений были получены в результате применения фотографической техники, кино- и видео съемок и хронофотоциклографии, а также при регистрации биоэлектрических процессов в мышцах с помощью специальной электронной аппаратуры

При биомеханическом описании движений в суставах в трехмерном пространстве обычно используют углы Эйлера, допуская при этом, что:

1. 
   звенья модели тела человека абсолютно твердые и его моделируют системой из двух или трех звеньев;
   
2. 
   звенья модели соединены в идеальные кинематические пары 3-го
   

класса, т.е. представляют собой шаровые шарниры;

3. 
   геометрические параметры звеньев модели совпадают с соответствующими параметрами звеньев тела человека.
   

Однако в биомеханических экспериментах определение действительных значений углов Эйлера представляется затруднительным, т.к. регистрация оптическими методами трех опорных точек на всех сегментах тела при движениях, особенно вращательных, является очень сложной задачей.

Для биомеханической характеристики движения необходимы данные о строении суставов и степенях свободы в кинематических цепях, образуемых костно-суставным аппаратом, о траектории движения, скоростях и ускорениях элементов кинематических цепей (кинематический анализ) и взаимодействии внутренних и внешних сил (динамический анализ).

При этом к внутренним силам относятся силы мышечного сокращения, а к внешним – сила тяжести, внешнее сопротивление, сопротивление при физическом труде и сила инерции. Изучение взаимодействий внутренних и внешних сил при биомеханическом анализе движений способствует разработке научно обоснованных методов рационализации трудовых операций, правильной организации тренировки спортсменов и физического воспитания детей , а также лечения двигательных нарушений.

Движения человека, как положения, в которых он может находиться, очень разнообразны. Они классифицируются по различным признакам и, по участию в движении звеньев тела различают простые и сложные движения. Сложные движения – это движения целостных кинематических цепей, происходящие одновременно в нескольких суставах, вокруг нескольких осей вращения, или движения всего тела.

По нагрузке на правую и левую половины тела различают симметричные и асимметричные движения. Симметричные движения – это движения, при которых правая и левая половины тела выполняют одновременно или разновременно одни и те же действия (ходьба, прыжок). Ассиметричные движения - это такие движения, когда обе половины тела выполняют разные действия (метание, толкание снарядов).

По чередованию фаз движения (по структуре) выделяют циклические и ациклические движения. Циклические движения состоят из периодически повторяющихся друг за другом движений в одной и той же последовательности (ходьба, бег). Ациклические движения представляют собой один законченный сложный двигательный акт, в котором нет периодически повторяющихся циклов движений.

Характер движений человека формируется постепенно на протяжении всей его жизни. Особенно это касается профессиональных двигательных навыков. Основные, естественные локомоции (ходьба, бег) являются врожденными и окончательно заканчивают свое формирование в разные периоды жизни ребенка. Ходьба и бег занимают особое место в массовой физической культуре и, спорте и способствует развитию всего двигательного аппарата.

Все формы движений осуществляются рефлекторным путем, По механизмам проявления различают безусловные и условные движения. К первым относятся врожденные движения, возникающие при раздражении соответствующих рецепторных полей, ко вторым – приобретенные, вырабатываемые в процессе индивидуальной жизни человека. В свете современных данных о механизмах координации движений, мышцы это не только моторный, исполнительный аппарат, но и своеобразный орган чувств. Рецепторный аппарат мышц, представленный мышечными веретенами и сухожильными рецепторами, посылает афферентные импульсы к нервным клеткам различных уровней ЦНС. В результате между мозгом и мышцами создается замкнутый цикл, в котором импульсы, идущие по моторным нервам, вызывают сокращение мышц, а нервные импульсы, распространяющиеся по афферентным нервам опорно-двигательного аппарата, информируют ЦНС о каждом элементе и моменте движения. Циклическая система связей обеспечивает точное управление движениями и их координацией. Нервные образования заднего и среднего мозга участвуют в обеспечении поз и установок тела, на фоне которых осуществляются разнообразные движения. Например, для осуществления ходьбы человеку необходимо придать телу вертикальное положение; для совершения любого рабочего движения также необходимо принять определенную позу. Эти установочные реакции осуществляются рефлекторным механизмом, заложенным в стволовой части мозга.

Координация условно рефлекторных движений также осуществляется на основе циклических связей между мозгом и управляемым аппаратом. Весь этот сенсорный аппарат, играющий существенную роль в движениях, И.П.Павлов назвал двигательным анализатором. Подчеркивая главную роль двигательного анализатора в механизмах движения, следует вместе с тем отметить, что произвольные движения есть результат комплексной деятельности многих анализаторов.

Для установления состава системы движения биомеханические характеристики дают возможность различать разные движения (системный анализ)

Для системного синтеза (определение структуры движений) биомеханические характеристики позволяют установить изменения одних движений под воздействием других.

Исследуя движения человека, регистрируют биомеханические характеристики тела (размеры, пропорции, распределение масс, подвижность в суставах и т.д.) и движений всего тела и его частей (звеньев). Детальное описание движения человека связано с использованием таких понятий, как положение, скорость, ускорение. При этом описывается лишь внешняя картина движений, без выяснения причин, вызывающих движение. Такой способ изучения движения называется кинематическим

Биомеханическая характеристика – это меры механического состояния биосистемы и его изменения (поведения). Биомеханические характеристики движений человека, это те их особенности, по которым они отличаются друг от друга. Эти показатели используются для количественного описания и анализа двигательной деятельности человека. Качественные характеристики описываются обычно без точной меры, количественные характеристики – имеют точную меру измерений. Все биомеханические характеристики делятся на кинематические, динамические и энергетические характеристики. С помощью биомеханических характеристик описывают поступательные и вращательные движения. Поступательным называется такое движение, при котором все точки тела перемещаются по одинаковым траекториям. При вращательном движении движущиеся точки тела перемещаются по круговым траекториям, центры которых лежат на оси вращения.

Вопросы контроля знаний.

1. В каком случае мышечные усилия можно рассматривать как усилия, приложенные к точке, а в каком случае оно представлено в виде нескольких линий действий?

2. Какие силы являются внутренними силами, какие – внешними силами для тела человека?

3.Что характерно для сложных движений? По какому типу классифицируют движения?

4. По какому признаку выделяют циклические и ациклические движения?

5. Что собой представляет рецепторный аппарат мышц

6.Что обеспечивает циклическая система связи между ЦНС и рецепторным аппаратом мышц?

7.Какие функции выполняют сухожилия и связки в организме человека?

8.В чем состоит главное различие сухожилий и связок?

9.Что определяют при изучении механических свойств сухожилий и связок?

10.В связи, с чем возникла необходимость изучения механических свойств сухожилий и связок?

11.Какая энергия накапливается при растягивании сухожилий в условиях естественных движений?

12.Какие существуют виды соединения костей ?

13.Перечислить элементы единой системы сустава.

14. Какие обязательные элементы включает сустав?

15.Что является основным компонентом хряща?

16.Какие компоненты суставного хряща влияют на его биомеханиче-

ские свойства?

17.Как влияют занятия спортом на суставной хрящ?7.

18.Что представляет собой сила реакции сустава?

19.Какие факторы влияют на величину силы реакции сустава?

20.Какими свойствами обладает синовиальная жидкость?

21.Назвать несколько теорий смазки суставов синовиальной жидкостью.

22.Чем отличается теория «граничной смазки» от теории «гидродинамической смазки?

23.Что представляет собой с позиции биомеханики тело человека?

24.Какие различают кинематические связи?

25.Что называется биокинематической парой?

26.Что представляет собой биокинематическая цепь? Какие бывают биокинематические цепи?

27.Как осуществляется движение в биокинематических цепях?

28.Сколько имеется степеней свободы у физического тела, не имеющего никаких ограничений?

29.Сколько степеней свободы лишается тело, если на него будет наложена одна связь, две связи, три связи.

30.Как можно увеличить кинематическую подвижность звена?
Основные понятия кинематики, динамики движений.

Кинематика движений. Кинематика (от греческого слова «кинема» - движение) называется раздел теоретической механики, в котором изучается механическое движение точки, системы материальных точек и абсолютно твердого тела независимо от действующих на них сил.

Движение, как и покой – понятие относительное – оно зависит от выбора системы отсчета. Приступая к изучению движения какого-либо твердого тела, необходимо выбрать систему координат, или систему отсчета, связав ее с каким-нибудь материальным телом, например Землей. После того как система отсчета установлена, определяют, как с течением времени изменяется положение тела, движение которого отслеживается, относительно выбранной системы координат. На практике при решении технических задач за неподвижное тело обычно принимают Землю, и «неподвижную» систему отсчета связывают с Землей. Знать движение каждого тела, это, значит, знать движение отдельной его точки. Движение в кинематике изучается во времени и в пространстве. Положение тела в пространстве будет определено, если будет известно положение всех точек по отношению к выбранной системе отсчета. Основной задачей кинематики точки является изучение законов движения точки. Зависимость между произвольными положениями движущейся точки в пространстве и во времени определяет закон ее движения. Закон движения точки считают известным, если можно определить положение точки в пространстве в произвольный момент времени.

В кинематике изучают зависимости между пространственно-временными характеристиками механического движения. Поэтому кинематику называют также геометрией движения.

Кинематика движений человека определяет геометрию (пространственную форму) движений и их изменения во времени (характер) без учета масс и действующих сил. Кинематика изучает движение тел, не рассматривая причин, вызывающих это движение. Кинематическими характеристиками является координаты тела и его частей, траектория, линейное и прямое перемещение, скорость и ускорение, темп и ритм. Эти характеристики, дают возможность сравнивать размеры тела и его звенья, а также кинематические особенности движений у разных спортсменов.

Кинематические движения человека и его движений – это меры положения и движения человека в пространстве и во времени: временные, пространственные и пространственно-временные. От учета этих характеристик зависит разработка индивидуальной техники спортсменов.

Пространственные характеристики

Положение тела определяется его местонахождением в пространстве по отношению к определенной системе отсчета. Когда положение тела меняется, оно перемещается, движется в пространстве. Движение проявляется при сравнении положения тела в один момент времени с его положением в другой момент, т. е. оно осуществляется в пространстве и во времени.

Пространственные характеристики позволяют определить положение движений тела по координатам и траекториям.

В зависимости от постановленной задачи, движения человека можно изучать, рассматривая его как материальную точку, когда перемещение тела намного больше, чем его размеры (если не исследуют движения частей тела и его вращение).

В случае, когда важно учитывать только размеры тела человека, расположение в пространстве и его ориентация, что в большее значение(при изучении условия равновесия, вращения тела в постоянной позе) его приравнивают к твердому телу. При этом не принимается во внимание взаимные перемещения его звеньев и деформация тканей.

Тело человека изучают как систему тел, когда важны еще и особенности движения звеньев тела, влияющие на выполнения двигательного действия. Поэтому, определяя основные пространственные характеристики движений человека (координация и траектории), заранее уточняют, к какому материальному объекту (точки, телу, системе тел) приравнивают в данном случае тело человека. Всякое материальное тело можно рассматривать как систему жестко связанных друг с другом материальных точек. Для определения материальной точки в пространстве и описание ее движения необходимы следующие понятия, как траектория. путь, перемещение.

Определить движение точки – это, значит, задать положение этой точки по отношению к выбранной системе отсчета в любой момент времени. Систему отсчета можно связать с любым телом. Эта система может быть неподвижной и подвижной. Система отсчета, в которой выполняется первый закон Ньютона, называется инерциальной; та система, в которой первый закон Ньютона не выполняется, называется неинерциальной. При применении неинерциальных систем отсчета помимо взаимодействия тел учитывают еще “фиктивные” силы инерции.

Траекторией точки называют линию, описываемую движущееся точкой относительно выбранной точки отсчета. Форма траектории зависит от выбора системы отсчета. В зависимости от формы траектории движение точки может быть прямолинейным или криволинейным. Ориентация траектории в пространстве при одной ее форме может быть разная.

Ориентацию для прямолинейного траектории определяют по координатам точек начального и конечного положений; для криволинейной траектории – по координатам этих двух точек и третьей точки, не лежащей с ними на одной прямой линии.

Кривизна траектории показывает, какова форма движения точки или тела в пространстве. Кривизну траектории характеризует радиус кривизны и между ними существует обратная, пропорциональная зависимость:

k = 1/R,

k – кривизна траектории, R – радиус кривизны.

Координаты точки, тела и системы тел. Координаты точки – это пространственны характеристики местоположения точки относительно системы отсчета. Местоположение точки определяют, измеряя ее координаты, например линейные - S_x, S_y, S_z, в пространстве и S_x, S_y на плоскости.

Положение твердого тела в пространстве можно определить по координатам трех его точек, не лежащих на одной прямой. Однако для определения положения твердого тела в пространстве при вращательном движении необходимо еще знать угловые координаты, определяющие его ориентацию относительно этих трех осей.

Существую три способа определения движения точки или тела: векторный, координатный и естественный способ.

Векторный способ. Этот способ сводится к тому, что положение точки определяется радиус-вектором (расстояние от точки до начала отсчета).

Естественный способ. При этом способе задают: траекторию точки и закон движения точки по этой траектории

S = f(t),

где S - расстояние, пройденное точкой от начала отсчета О, t –время.

Координатный способ. При этом способе выбирают систему координат, например декартову прямоугольную систему, и задают закон движения точки или тела в координатной форме, т.е. координаты движущейся точки как функции времени:

x = f₁(t), x = f₂ (t), x = f₃ (t).

Положение тела человека и его звеньев при изменении конфигурации определяют по положению каждого звена в пространстве. Одним из способов определения положения биомеханической системы является определение суставных углов. На практике часто используют комплексный подход и определяют: местоположение какой-либо точки тела, взаимное расположение звеньев тела и ориентацию в пространстве. В механике описать движение – значить определить положение любой точки системы в любой момент времени.

Для того чтобы изучить движение необходимо определить его исходное и конечное положение. Исходное положение движения оказывает существенное влияние на выполнение последующих движений. В некоторых видах физических упражнений конечное положение также может влиять на их выполнение, например в легкой атлетики (прыжки в длину, метание спортивных снарядов), гимнастике и т. д.