Основы биомеханики
 Скачать 1.12 Mb.
|
1 ОСНОВЫ БИОМЕХАНИКИ (зеленый – коричневый пояса) Термин биомеханика составлен из двух греческих слов: bios – жизнь и mechanike – наука о машинах. Эта наука характеризуется применением основных принципов механики, т.е. науки о механических движениях материальных тел и взаимодействиях, происходящих при этом между ними, к живым организмам. Наиболее значительная сила, действующая на нас,- это сила земного притяжения. Величина этой силы зависит, в основном, от двух факторов. Первый – это расстояние от тела до центра Земли. Чем ближе к центру, тем сила притяжения больше. Второй фактор – масса тела, включая одежду. С увеличением массы возрастает и гравитационная сила, поэтому для ее преодоления необходимо развивать большее усилие. Теоретически, существуют два основных способа повышения спортивной работоспособности за счет модификации биомеханических характеристик организма спортсмена. Во-первых, этого можно добиться за счет эффективного использования силы более совершенным способом. Второй способ улучшения спортивной работоспособности заключается в придании телу спортсмена такого положения, которой бы максимально способствовало снижению сопротивления воздуха или воды, препятствующих движению. Одним из главных направлений в современных биомеханических исследованиях является разработка особой спортивной техники для того, чтобы вырабатываемая спортсменом энергия наиболее эффективно трансформировалась в его двигательную функцию. МАССА ТЕЛА. Организм человека состоит из различных тканей, но с точки зрения биомеханики рассматриваются только два основных компонента – жировая и обезжиренная масса. Большая часть обезжиренного компонента представлена мышечной массой, которая приблизительно на 70% состоит из воды. Таким образом, воду можно рассматривать как третий компонент, определяющий массу тела. Избыток жирового компонента тела отрицательно влияет на показатели спортивной работоспособности в тех видах спорта, где требуется совершать движения быстро и эффективно. Определенное количество жира необходимо для поддержания оптимального уровня здоровья и нормального протекания физиологических процессов, но его избыток в организме является, в лучшем случае, просто лишним багажом. Резкий сгон веса может привести к выраженному снижению спортивной работоспособности, особенно в видах, требующих выносливости. При этом уменьшается масса жирового компонента и заметно снижается мышечная масса. Следовательно, и в тех видах спорта, в которых ведущими двигательными качествами являются сила и анаэробная выносливость, быстрое снижение спортсменом массы своего тела может отрицательно отразиться на показателях спортивной работоспособности. В спортивных упражнениях взрывного характера, в которых развиваемая спортсменом мощность направлена на перемещение его тела в пространстве резкое снижение содержание воды в организме при дегидратации может оказать благоприятное влияние на спортивный результат. Спортивная биомеханика является достаточно многогранной наукой, охватывающей различные области тренировочной и соревновательной подготовки спортсмена. ОСНОВЫ БИОМЕХАНИКИ БЫЛИ ЗАЛОЖЕНЫ ЕЩЕ В ДАЛЕКОЙ ДРЕВНОСТИ. Архимед вывел свой закон о равновесии плавающих тел, Аристотель и Демокрит пытались объяснить органическую жизнь с точки зрения атомизма. Эти исследования относятся к III-IV векам до н.э. . Леонардо да Винчи В XV веке описывает механику человеческого тела в движении. Галилей закладывает основы механики, Гарвей объясняет механизм кровообращения в организме животного и человека. Эти исследования стали источником идей сравнения живого организма с машинами, работающими по законам механики. Гук В конце XVI века формулирует закон механики о зависимости между деформацией и напряжением идеально-упругого тела, который лег в основу биомеханического объяснения работы мышц. Джованни Борелли В 1679 году выпускает первую книгу по биомеханике «О движениях животных». Открытие Ньютоном трех основных законов механики завершило формирование базиса для биомеханических исследований. Дальнейшее развитие биомеханики пошло по нескольким направлениям, среди которых, помимо спортивной биомеханики, можно выделить: • инженерная биомеханика, связанная с роботостроением; 2 • медицинская биомеханика, исследующая причины, последствия и способы профилактики травматизма, прочность опорно-двигательного аппарата, вопросы протезостроения; • эргономическая биомеханика, изучающая взаимодействие человека с окружающими предметами с целью их оптимизации. Кинематика движений человека Механика занимается рассмотрением простейшей формы движения материи – механической. Такое движение состоит в изменении взаимного расположения тел или их частей в пространстве с течением времени. Материальной точкой называется тело, размеры и форма которого несущественны в рассматриваемой задаче. Системой материальных точек или тел (механической системой) называется мысленно выделенная совокупность материальных точек или тел, которые в общем случае взаимодействуют как друг с другом, так и с телами, не включенными в состав этой системы. При определенных условиям биомеханика рассматривает тело спортсмена именно как систему материальных тел. Классическая механика, состоит из трех основных отделов: статики, кинематики и динамики. Статика исследует законы сложения сил и условия равновесия твердых, жидких и газообразных тел. Кинематика изучает механическое движение тел вне связи с определяющим его взаимодействием между телами. Динамика рассматривае влияние взаимодействия между телами на их механическое движение. Перемещение точки характеристика движения . В зависимости от размерности пространства оно может одно-, двух- или трехмерным (или объемным). Траектория - линия, описываемая в пространстве движущейся точкой. Эта линия определяется поведением векторной величины – радиус-вектором – из некоторой точки отсчета. Начальное положение - положение движущейся точки в некоторый фиксированный момент времени t=t 0 Длина пути точки - расстояние между начальным положением и положением ее в некоторый момент времени t и является скалярной функцией s=s(t). Скорость - характеризует движение материальной точки . В случае равномерного движения (т.е. когда точка за равные промежутки времени проходит равный путь) скорость определяется длиной пути, пройденного за все время движения. В случае неравномерного движение с изменением направления, скорость определяется как векторная величина v, равная первой производной от радиус-вектора r движущейся точки: Скорость направлена по касательной к траектории в сторону движения точки и численно равна первой производной от длины пути по времени: Если точка движется в трехмерном пространстве, описываемом декартовой системой координат, то необходимо рассматривать по отдельности проекции вектора скорости на каждую из осей (x, y, z). В этом случае Ускорение a - быстрота изменения скорости при неравномерном движении определяется по формуле Вектор ускорения проходит через главную нормаль и касательную к траектории и направлен в сторону вогнутости траектории. Для трехмерного движения как и в случае со скоростью необходимо работать с каждой из координат. Ускоренное движение точки - численное значение ее скорости возрастает с течением времени и ускорение имеет положительное значение. Замедленное движение точки - численное значение ее скорости убывает с течением времени и ускорение имеет отрицательное значение. 3 Абсолютно твердое тело. - во время движения тела взаимное расположение материальных точек, составляющих его, не меняется, оно не деформируется (не меняет форму и объем) Для такого тела характерны следующие виды движения: • поступательное, когда все точки имеют одинаковые траектории перемещения; • вращательное, когда движение происходит вокруг оси вращения; • сложное, когда движение состоит из двух и более простых движений; например, тело может совершать вращательное движение, а ось вращения может двигаться тем временем поступательно. Для поступательного движения абсолютно твердого тела справедливы законы, приведенные выше. Вращательное движение разбивается на линейную и угловую составляющие. Угловой скоростью вращения твердого тела - вектор w, численно равный первой производной от угла поворота по времени, Направление вектора w совпадает с направлением поступательного движения рукоятки буравчика. Линейная скорость v произвольной точки вращающегося тела определяется по формуле Эйлера v=[wr], или v = wR в скалярном виде, где R – расстояние от оси вращения до точки. Динамика движений человека динамика рассматривает влияние взаимодействия между телами на их механическое движение. При этом надо различать: • динамику поступательного движения, или динамику материальной точки • динамику вращательного движения, или динамику твердого тела. Сила - физическая величина, выражающая взаимодействие между рассматриваемым телом и другими телами или полями. Все силы можно разделить на две основных категории: силы, проявляющиеся при непосредственном взаимодействии тел, и силы, которые действуют без непосредственного контакта. Ко второй категории относятся силы от полей: гравитационного, электромагнитного и других. Ускорение тела пропорционально силе, действующей на тело: F a. Масса Тела - отношение величины силы, действующей на тело, к приобретенному телом ускорению, постоянно для данного тела : масса = сила/ускорение. Масса тела является неизменной характеристикой данного тела, не зависящей от его местоположения. Масса характеризует два свойства тела: • Инерцию: тело изменяет состояние своего движения только под воздействием внешней силы. • Тяготение: между телами действуют силы гравитационного притяжения. Не путать массу тела (мера инертности) с весом тела (силой с которой оно давит на опору). Масса характеризует инертность тела при поступательном движении. При вращении инертность зависит не только от массы, но и от того, как распределена эта масса относительно оси вращения. Чем больше расстояние до оси вращения, тем больше вклад в инертность тела. Количественной мерой инертности тела при вращательном движении служит Момент Инерции: , где R ин – радиус инерции – среднее расстояние от оси вращения (например, от оси сустава) до материальных точек тела. Сила, приложенная к твердому телу, которое может вращаться вокруг некоторой точки, создает момент силы. Момент силы M равен векторному произведению радиус-вектора r на силу F: M = r x F = rF sin (r;F) . Если на тело, которое может вращаться вокруг какой-либо точки, действуют одновременно несколько сил, то для сложения моментов этих сил следует воспользоваться правилом сложения моментов. Импульс Тела – произведение массы тела на его скорость p=mv. Для импульса справедлив закон сохранения, т.е. полный импульс замкнутой системы остается постоянным. Полный импульс такой системы представляет векторную сумму всех импульсов. Момент Количества Движения (угловой момент, момент импульса) – произведение момента инерции тела на его угловую скорость: L = J w. Изменение углового момента (при неизменном моменте инерции тела) может произойти только вследствие изменения угловой скорости и всегда обусловлено действием момента силы. 4 Центром масс называется точка, где пересекаются линии действия всех сил, не вызывающих вращение тела. В поле тяготения центр масс совпадает с центром тяжести. Положение общего центра масс тела определяется тем, где находятся центры масс отдельных звеньев. Для человека это зависит от его позы, т.е. пространственного положения элементов тела. В человеческом теле около 70 звеньев, но для биомеханического моделирования чаще всего достаточно 15- звенной модели человеческого тела (например, голова, бедро, стопа, кисть и т.д.). Зная, каковы массы и моменты инерции звеньев тела и где расположены их центры масс, можно решить многие задачи биомеханики, в том числе: • определить импульс тела; • определить момент количества движения, при этом надо учитывать, что величины моментов относительно разных осей неодинаковы; • оценить, легко или трудно управлять скоростью тела или отдельного звена; • определить степень устойчивости тела и т.д. Звенья тела как рычаги и маятники Разбиение тела человека на звенья позволяет представить эти звенья как механические рычаги и маятники, потому что все эти звенья имеют точки соединения, которые можно рассматривать либо как точки опоры (для рычага), либо как точки отвеса (для маятника). Рычаг -твердое тело, которое может вращаться вокруг оси под воздействием определенных сил (таких сил должно быть не меньше двух). Кости, к которым мышцы прилагают свою силу, с точки зрения механики рассматриваются как рычаги, приводимые во вращательные движения. Основной закон рычага: рычаг находится в равновесии в случае равенства моментов приложенных к нему сил. При неравенстве моментов происходит вращение в сторону большего момента . Малая по величине сила может преобладать над большей, если она будет иметь большее плечо, т.е. больший момент. Каждый рычаг имеет следующие элементы: -точку опоры (ось вращения) -как минимум две силы (Р и F), -точки приложения этих сил , -плечи рычага (расстояния от точки опоры до точек приложения сил), -плечи сил (наикратчайшие расстояния от точки опоры до линий действий сил- опущенные на нее перпендикуляры). ДВА ОСНОВНЫХ ТИПА РЫЧАГА - двуплечий и одноплечий. Двуплечий (рычаг равновесия Рычаг первого рода состоит только из одного звена.) - рычаг, к которому силы приложены с 2-х сторон от оси вращения и направлены в одну сторону (рычаг первого рода "коромысло"). В рычаге первого рода неподвижная точка А находится между двумя другими подвижными—Р и R. (R— преодолеваемый мышцей вес, тяжесть или давление во время выполнения приема, а Р—действующая на рычаг мышечная сила). Известное число мышц тела действует, как сила, приложенная к рычагу этого рода, например, при разгибании головы, разгибании локтевого и тазобедренного суставов. Рычаг первого рода в человеческом организме почти всегда присутствует при разгибании, например, все рычаги вверх Пример – крепление черепа к позвоночнику Рис.3. P R Рис.3 А 5 Одноплечий Рычаг второго рода характеризуется наличием двух звеньев рычаг - обе силы приложены по одну сторону от оси вращения и направлены в противоположные стороны. Условно можно выделить рычаг скорости и рычаг силы в зависимости оттого, что преобладает в их действиях. рычаг силы - активная сила приложена к длинному плечу. Происходит выигрыш в силе и проигрыш в скорости и расстоянии. (Рис.4). Сопротивление R занимает промежуточное положение между точкой опоры А и приложением силы Р. В этом случае независимо от относительного взаиморасположения указанных трех точек, плечо рычага, прилежащей к действующей на плечо силе Р, всегда больше плеча сопротивления, то есть АР>АR.. Пример – стопа на пальцах, рычаги вниз, где Р—мышцы тела плечевого сустава; R—сила, давящая на локтевой сустав сверху (предплечье делающего прием); А—упор в руку делающего прием (захват за кисть нападающего) . рычаг скорости (рычаг третьего рода) - активная сила приложена к короткому плечу, выигрыш в скорости и расстоянии, проигрыш в силе. (Рис.5). Плечо сопротивления АR предполагается всегда длиннее плеча ствующей силы, что благоприятствует развитию скорости точки R в ущерб к приложенной силе. Пример – сгибательные мышцы действуют в условиях такого рычага, следовательно существует ряд приемов построенных по принципу сгибания , локтевой сустав с грузом на ладони. Для преодоления противодействующей силы необходимо либо увеличить силу, совершающую работу, либо увеличить длину её плеча. При выполнении приемов силой, совершающей работу, является приложенное к противнику усилие, а противодействующей силой - усилие противника. Мышцы крепятся в основном вблизи суставов, поэтому в опорно-двигательном аппарате человека намного больше рычагов III рода (рычагов скорости). Человек по своей природе более ловкий и быстрый, чем сильный. Силовые рычаги чаще всего используются при выведениях и болевых. Рычаги скорости используются в основном в ударах В общем, использование рычагов представлено в таблице №1 Рычажное устройство двигательного аппарата дает человеку возможность выполнять дальние броски, сильные удары и т. п. Но ничто на свете даром не дается. Мы выигрываем в скорости и мощности движения ценой увеличения силы мышечного сокращения. Например, для того чтобы, сгибая руку в локтевом суставе, перемещать груз массой 1 кг (т. е. с силой тяжести 10Н) так, как показано на рис. 9, Л, двуглавая мышца плеча должна развить силу 100—200 Н. Обмен" силы на скорость тем более выражен, чем больше соотношение плеч рычага. P R Рис.4. A R P A Рис.5 6 Пример из гребли (рис. 10). Все точки весла-тела, движущегося вокруг оси, имеют одну и ту же угловую скорость Но их линейные скорости неодинаковы. Линейная скорость (v) тем выше, чем больше радиус вращения (г): Следовательно, для увеличения скорости нужно увеличивать радиус вращения Но тогда придется во столько же раз увеличить и силу, прикладываемую к веслу. Именно поэтому длинным веслом труднее грести, чем коротким, бросить тяжелый предмет на дальнюю станцию труднее, чем на близкую, и т. д. Об этом знал еще Архимед, руководивший обороной Сиракуз от римлян и изобретавший рычажные приспособления для метания камней. Таблица №1 |