Основы биомеханики
 Скачать 1.12 Mb.
|
|
Механические свойства костей и суставов Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Так кости черепа и грудной клетки защищают внутренние органы, а кости позвоночника и конечностей выполняют опорную функцию. 4 вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Самая массивная кость – большеберцовая (основная кость бедра) выдерживает силу сжатия в 16-18 кН. Менее прочны кости на изгиб и кручение. Однако регулярные тренировки приводят к гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов – кости предплечья и т.п. Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую хранит суставная сумка. Синовиальная жидкость обеспечивает уменьшение трения в суставе примерно в 20 раз. При этом при снижении нагрузки на сустав жидкость поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении нагрузки она выжимается для смачивания поверхности сустава и уменьшения коэффициента трения. Прочность суставов, как и прочность костей, небеспредельна. Так, давление в суставном хряще не должно превышать 350 Н/см 2 . При более высоком давлении прекращается смазка суставного хряща и увеличивается опасность его механического стирания. Биомеханические свойства мышц Двигательная деятельность человека происходит при помощи мышечной ткани, обладающей сократительными структурами. Работа мышц осуществляется благодаря сокращению (укорачиванию с утолщением) миофибрилл, которые находятся в мышечных клетках. Работа мышц осуществляется посредством их присоединения к скелету при помощи сухожилий. К биомеханическим свойствам мышц относят сократимость, упругость, жесткость, прочность и релаксацию. Сократимость – это способность мышцы сокращаться при возбуждении. В результате сокращения происходит укорочение мышцы и возникает сила тяги. Упругость мышцы состоит в ее способности восстанавливать первоначальную длину после устранения деформирующей силы. Мышцу можно сравнить с пружиной: чем сильнее растянута пружина, тем большая энергия в ней запасена. Аналогия мышцы с пружиной позволяет применить к ее работе закон Гука, 13 Рис.6. Рис.7. Закон Гука: сила упругости возникающая при деформации( растяжение, сжатие, изгиб, скручивание и т.д.), пропорциональна удлинению тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещений частиц тела при деформации. По закону Гука для мышцы её удлинение нелинейно зависит от величины растягивающей силы (Рис.6). Эта кривая (её называют "сила - длина") является одной характеристических зависимостей, описывающих закономерности мышечного сокращения Зависимость между силой и скоростью мышечного сокращения («сила- скорость») называют кривой Хилла. (Рис.7). Правая часть кривой Хилла отображает закономерности преодолевающей работы, при которой возрастание скорости сокращения мышцы вызывает уменьшение силы тяги. А в уступающем режиме наблюдается обратная картина: увеличение скорости растяжения мышцы вызывает уменьшение силы тяги. Это является причиной многочисленных травм у спортсменов (например, разрыва ахиллова сухожилия у спринтеров и прыгунов в длину). В уступающем режиме мышцы сильнее, чем в преодолевающем Жесткость – это способность противодействовать прикладываемым силам. Коэффициент жесткости определяется как отношение приращения восстанавливающей силы к приращению длины мышцы под действием внешней силы: К ж =DF/Dl (Н/м). Величина, обратная жесткости, называется податливостью мышцы. Коэффициент податливости: К п =Dl /DF (м/Н) – показывает, насколько удлинится мышца при изменении внешней силы. Например, податливость сгибателя предплечья близка к 1 мм/Н. Прочность мышцы оценивается величиной растягивающей силы, при которой происходит разрыв мышцы. Сила, при которой происходит разрыв мышцы составляет от 0.1 до 0.3 Н/мм 2 . Предел прочности сухожилий на два порядка величины больше и составляет 50 Н/мм 2 . Однако, при очень быстрых движениях возможен разрыв более прочного сухожилия, а мышца остается целой, успев самортизировать. Релаксация – свойство мышца, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине мышцы. ДВА ВИДА ГРУППОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЫШЦ : синергизм и антагонизм. Мышцы-синергисты перемещают звенья тела в одном направлении. Например, при сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плече-лучевая мышцы и т.д. Результатом синергического взаимодействия мышц служит увеличение результирующей силы действия. При наличии травмы, а также при локальном утомлении какой-либо мышцы ее синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия. Мышцы-антагонисты имеют, наоборот, разнонаправленное действие. Так, если одна из них выполняет преодолевающую работу, то другая – уступающую. Существованием мышц-антагонистов обеспечивается: 1. высокая точность двигательных действий; 2. снижение травматизма. Механическая работа и энергия при движениях человека Если на частицу подействовать силой F и переместить ее на расстояние s, то сила совершит работу A = Fs = F s cos(F;s) (угол (F;s) между направлением силы и перемещения рассматривается тогда, когда эти вектора не совпадают по направлению). Единицей измерения работы является Джоуль (в системе СИ) или киловатт-час. 14 Мощность - работа, совершаемая за единицу времени, или W=A/t =Fv. По этой формуле можно определить мощность коротких интенсивных движений (ударов по мячу, боксерских ударов и других ударных действий), когда механическую работу определить трудно, но можно измерить силу и скорость. Единица измерения мощности – ватт (Дж/с) (СИ) или лошадиная сила. Существуют сила и скорость, при которых мощность мышечного сокращения наибольшая (Рис.8 ). Этот режим имеет место, когда и сила, и скорость составляют примерно 30% от максимально возможных величин. Если материальная точка находится в поле (гравитационном, электромагнитном), на нее действует сила F от этого поля, имеющая возможность совершать определенную работу. Этот запас работы, предопределяемый положением точки в поле, является ее потенциальной энергией. Если силы, действующие на материальную точку, совершают положительную работу, то ее потенциальная энергия убывает. При рассмотрении деформируемого тела часто используют понятие «внутренней потенциальной энергии», которая равна работе деформации, взятой с обратным знаком. Любое движущееся с поступательной скоростью v тело массой m обладает кинетической энергией, равной E k =(1/2)mv 2 Аналогичную формулу можно записать для вращающегося с угловой скоростью w твердого тела с центром инерции J: E k вр =(1/2) J w 2 Полная энергия движущегося тела равна сумме его потенциальной энергии и кинетической энергии в поступательном и вращательном движениях: В замкнутой системе, (система, на которую не оказывают влияние внешние силы) справедливо первое начало термодинамики (закон сохранения энергии): энергия в заданной замкнутой механической системе сохраняется. Если на систему действуют внешние силы и она переходит из одного состояния в другое, то изменение полной механической энергии при этом переходе равно работе внешних сил. В деформируемых телах полная энергия равна сумме внутренней и кинетической энергий. Переход одного вида механической энергии в другой называется рекуперацией механической энергии. ПРИМЕР – вращение гимнаста на перекладине, когда вращательная кинетическая энергия переходит целиком в потенциальную в верхней точке и наоборот – в нижней. Локомоторные движения У всех локомоторных движений общая двигательная задача – усилиями мышц передвигать тело человека относительно опоры или среды. В единоборствах локомоторные движения играют вспомогательную роль. СТАРТОВЫЕ ДЕЙСТВИЯ . Стартовые действия обычно направлены на то, чтобы начать передвижение и быстро увеличить скорость. Стартовыми действиями начинается преодоление всех дистанций, а также передвижения в единоборствах, спортивных играх и других группах видов спорта. Стартовые положения – это исходные позы для последующего передвижения, которые обеспечивают лучшие условия развития стартового ускорения. Стартовые движения – это первые движения из стартового положения, которые обеспечивают прирост скорости и переход к последующему стартовому разгону. При старте ОЦМ тела спортсмена имеет ускорение, обусловленное мышечными усилиями. Все стартовые действия отличаются частными особенностями движений, зависящими от вида локомоций. ВИДЫ СПОРТИВНЫХ ЛОКОМОЦИЙ Видов локомоций зависят от видов спорта и биодинамики передвижений спортсмена в движениях ациклического характера и циклического: Перемещающиеся движения Перемещающимися в биомеханике называют движения, задача которых – перемещение какого-либо тела например броски партнера. Перемещающие движения разнообразны. К перемещающим движениям в спорте обычно предъявляются требования достичь максимальных величин: а) силы действия , 15 б) скорости перемещаемого тела, в) точности . Нередки и случаи, когда эти требования (например, скорости и точности) предъявляются совместно. Среди перемещающих различают движения: а) с разгоном перемещаемых тел , б) с ударным взаимодействием . Сила действия в перемещающих движениях Сила действия в перемещающих движениях обычно проявляется конечными звеньями многозвенной кинематической цепи. При этом отдельные звенья могут взаимодействовать двумя способами: 1. Параллельно – когда возможна взаимокомпенсация действия звеньев; если сила, проявляемая одним из звеньев, недостаточна, другое звено компенсирует это большей силой. Пример: при бросках в борьбе недостаточная для выполнения приема мышечная сила одной руки может компенсироваться большей силой действия второй руки. Параллельное взаимодействие возможно лишь в разветвляющихся кинематических цепях (действия двух рук или двух ног). 2. Последовательно – когда взаимокомпенсация невозможна. При последовательном взаимодействии звеньев многозвенной кинематической цепи нередко бывает что какое-то одно звено оказывается более слабым, чем остальные и ограничивает проявление максимальной силы. Включение в работу слабых звеньев (если они могут быть выключены) является технической ошибкой, приводящей к снижению спортивного результата. Скорость в перемещающих движениях необходимо определенное сочетание во времени движений отдельных звеньев тела (рис. 100). Каждое из этих звеньев участвует во вращательном движении относительно оси сустава и в поступательном движении этого сустава, которое можно рассматривать как переносное. Например, при ударе ногой по мячу голень перемещается за счет разгибания в коленном суставе (движение по отношению к бедру и коленному суставу) и за счет движения бедра и самого коленного сустава (переносное движение). Вращательное движение звеньев двигательного аппарата человека обусловлено: 1) действием момента силы тяги мышц, проходящих через сустав, например сгибателей и разгибателей его; 2) ускоренным движением самого сустава. Оно вызвано силой, линия действия которой проходит через суставную ось (так называемой суставной силой). Если бы сустав был неподвижен, то, конечно, под действием этой силы движения относительно оси не возникло бы. Ведь нельзя же раскачать качели, надавливая на их ось. Но если ось под действием силы смещается, то подвешенное к ней звено поворачивается вокруг оси. Точность в перемещающих движениях Под точностью движения понимают степень его близости требованиям двигательного задания. Любое движение может быть выполнено лишь в том случае, если оно достаточно точно. Если, например, во время ходьбы человек будет выполнять движения очень неточно, то идти он не сможет. Различают два вида точностных заданий. В первом необходимо обеспечить точность движения на всей его траектории Такие двигательные задания называют задачами слежения. Во втором виде заданий неважно, какова траектория рабочей точки тела или снаряда, необходимо лишь попасть в обусловленную цель (в мишень, ворота, поражаемую часть тела противника и т. п.). Такие двигательные задачи называют задачами попадания, а точность - целевой точностью. Ударные действия ОСНОВЫ ТЕОРИИ УДАРА Ударом в механике называется кратковременное взаимодействие тел, в результате которого резко изменяются их скорости. При таких взаимодействиях возникают столь большие силы, что действием всех можно пренебречь. Изменение ударных сил во времени происходит примерно так. Сначала сила быстро возрастает до наибольшего значения, а затем падает до нуля. Максимальное ее значение может быть очень большим. Однако основной мерой ударного взаимодействия является не сила, а ударный импульс, численно равный заштрихованной площади под кривой F (t). Он может быть вычислен как интеграл: 16 где S – ударный импульс, t 1 и t 2 – время начала и конца удара, F(t) – зависимость ударной силы F от времени t. За время удара скорость тела, например мяча, изменяется на определенную величину. Это изменение прямо пропорционально ударному импульсу и обратно пропорционально массе тела. Другими словами, ударный импульс равен изменению количества движения тела. различают три вида удара: 1. Вполне упругий удар – вся механическая энергия сохраняется. Таких ударов в природе нет (всегда часть механической энергии при ударе переходит в тепло). Однако в некоторых случаях удары, например удар бильярдных шаров, близки к вполне упругому удару. 2. Неупругий удар – энергия деформации полностью переходит в тепло. Пример: приземление в прыжках и соскоках, удар шарика из пластилина в стену и т. п. При неупругом ударе скорости взаимодействующих тел после удара равны (тела объединяются). 3. Не вполне упругий удар — лишь часть энергии упругой деформации переходит в кинетическую энергию движения. Ньютон предложил характеризовать не вполне упругий удар гак называемым коэффициентом восстановления. Коэффициент восстановления зависит от упругих свойств соударяемых тел. При центральном ударе двух упругих тел (например, двух бильярдных шаров) количество движения в системе этих тел остается постоянным: m 1 v 1 +m 2 v 2 =m 1 и 1 +m 2 u 2 = const. где mт 1 и m 2 – массы первого и второго тела, v 1 и v 2 – их скорости до удара; и u 1 и и 2 — их скорости после удара. Если скорость одного из тел до удара равна нулю, то после удара она станет: Из формулы видно, что скорость после удара будет тем больше, чем больше скорость и масса ударяющего тела (ударная масса). В более сложных случаях (нецентральный и не вполне упругий удар) картина сложнее, однако и в них скорость после удара будет тем выше, чем больше ударная масса и скорость тела, наносящего удар. Биомеханика ударных действий Ударными в биомеханике называются действия, результат которых достигается механическим ударом. В ударных действиях различают: 1. Замах – движение, предшествующее ударному движению и приводящее к увеличению расстояния между ударным звеном тела и предметом, по которому наносится удар. Эта фаза наиболее вариативна. 2. Ударное движение – от конца замаха до начала удара. 3. Ударное взаимодействие (или собственно удар) – столкновение ударяющихся тел. 4. Послеударное движение – движение ударного звена тела после прекращения контакта с предметом, по которому наносится удар. При механическом ударе скорость тела после удара тем выше, чем больше скорость ударяющего звена непосредственно перед ударом. При ударах в спорте такая зависимость необязательна. Некоторые спортсмены, владеющие очень сильным ударом (в боксе, волейболе, футболе и др.), большой мышечной силой не отличаются. Но они умеют сообщать большую скорость ударяющему сегменту и в момент удара взаимодействовать с ударяемым телом большой ударной массой. Многие ударные спортивные действия нельзя рассматривать как «чистый» удар, основа теории которого изложена выше В теории удара в механике предполагается, что удар происходит настолько быстро и ударные силы настолько велики, что всеми остальными силами можно пренебречь. Во многих ударных действиях в спорте эти допущения не оправданы. Время удара в них хотя и мало, но все-таки пренебрегать им нельзя; путь ударного взаимодействия, по которому во время удара движутся вместе соударяющиеся тела, может достигать 20-30 см. Поэтому в спортивных ударных действиях, в принципе, можно изменить количество движения во время соударения за счет действия сил, не связанных с самим ударом. Удар - это воздействие на противника с целью нанесения травмы. Удар наносится с некоторой дистанции. Нет дистанции - нет удара. Удар нанесенный с маленькой дистанции называется тычком. Для достижения результата тычок должен наноситься в болевые точки тела и быть достаточно резким. Если ударная поверхность не развивает достаточной скорости то удар переходит в толчок, при условии, что в удар вложена масса. 17 Если в удар не загружена масса, он переходит в тычок. Для нанесения сильного жесткого удара следует учесть: То есть для увеличения силы удара необходимо увеличить массу, вложенную в удар, и скорость удара, и уменьшать время действия удара. 1. В удар должна быть вложена масса. Для увеличения этой составляющей удара можно, перенося тяжесть тела на переднюю ногу, нанести удар до постановки ноги на землю. Однако, следует учитывать возможность "провала" вперед, поэтому вектор силы тяжести не должен выходить за площадь опоры после постановки ноги. Это достигается за счет удлинения шага и понижения центра тяжести (подседа). |