Предмет и задачи биомеханики

Первая лекция по дисциплине "Биомеханика двигательной деятельности" - описывает предмет и задачи биомеханики. Биомеханика двигательных действий изучает свойства и функции опорно-двигательного аппарата и двигательные действия человека с позиции классической механики (на основе понятий, принципов и законов классической механики). Цель биомеханики двигательных действий состоит с одной стороны, в повышении эффективности двигательных действий человека, а с другой – в предупреждении травм при выполнении двигательных действий и уменьшении их последствий.

Лекция 1

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ БИОМЕХАНИКИ

1.1. Предмет биомеханики

Предмет науки – совокупность объектов или процессов, которые изучает данная наука.

Биомеханика двигательных действий изучает свойства и функции опорно-двигательного аппарата и двигательные действия человека с позиции классической механики (на основе понятий, принципов и законов классической механики).

Биомеханика – смежная наука. Она возникла на «стыке» двух наук: биологии – науки о жизни и механики – науки о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между телами.

За время своего развития классическая механика выработала широкий круг понятий, которые в настоящее время используются в биомеханике: перемещения, скорости и ускорения тела; силы, импульса силы, работы, мощности, энергии, ОЦТ (ОЦМ) и др.

Например, под скоростью тела понимается отношение пути (перемещения), пройденного телом ко времени за который этот путь пройден. В биомеханике изучаются скорости движения звеньев опорно-двигательного аппарата, а также скорость сокращения мышц человека. Одним из центральных в механике является понятие силы как количественной меры механического взаимодействия тел. В биомеханике двигательных действий анализируются силы, действующие на человека, а также силы, возникающие в его опорно-двигательном аппарате, например, силы тяги мышц, силы трения в суставах.

Кроме круга понятий в рамках классической механики установлены принципы (принцип относительности Галилея, принцип Д’Аламбера, принцип возможных перемещений) и законы движения материальных тел (законы Ньютона, законы сохранения энергии, количества движения (импульса) и другие.

На основе принципа Д’Аламбера и принципа возможных перемещений задачи динамики перемещения человека могут быть сведены к задачам статики.

В биомеханике на основе законов механики анализируются двигательные действия человека. Так, например третий закон Ньютона гласит: «Силы, с которыми действуют друг на друга два тела, всегда равны и направлены по одной прямой в противоположные стороны», рис.1.1. Этот закон проявляется, например, при ударе по мячу: рука ударяет по мячу, а сила противодействия со стороны мяча действует на руку, рис.1.2.

Предмет и задачи биомеханики

Рис.1.1. Иллюстрация проявления третьего закона Ньютона

Предмет и задачи биомеханики

Рис.1.2. Проявление третьего закона Ньютона в биомеханике (В.А. Петров, Ю.А. Гагин, 1974)

Закон сохранения количества движения системы гласит: «Если на систему не действуют никакие внешние силы, то количество движения системы остается постоянным (сохраняется)». Винтовка и пуля представляют собой одну систему. Перед выстрелом из винтовки сумма количества движения винтовки и пули равна нулю. Давление пороховых газов, сообщая некоторое количество движения пуле, одновременно сообщает винтовке такое же количество движения, направленного в противоположную сторону (это вызывает явление, называемое отдачей винтовки). В результате сумма возникших количеств движения при выстреле будет равна нулю.

Закон сохранения энергии позволяет оценить энергопотери в мышцах при выполнении двигательных действий.

Существует большое разнообразие двигательных действий человека: бытовые, трудовые, оздоровительные (физические упражнения), спортивные и др. В настоящих лекциях с позиций биомеханики рассматривается выполнение человеком оздоровительных и спортивных двигательных действий.

1.2. Цели и задачи биомеханики двигательных действий

Цель биомеханики двигательных действий состоит с одной стороны, в повышении эффективности двигательных действий человека, а с другой – в предупреждении травм при выполнении двигательных действий и уменьшении их последствий.

Рассмотрим, как достигается первая цель – повышение эффективности двигательных действий человека.

Первая задача состоит в разработке биомеханических критериев и оценке двигательных действий спортсмена с точки зрения их эффективности в решении двигательной задачи. В качестве примера решения первой задачи можно привести правильную и неправильную траекторию движения штанги при выполнении тяжелоатлетического упражнения, рис.1.3. Траектория 1 с точки зрения биомеханики является оптимальной, а траектории 2 и 3 – нерациональными, характеризующими ошибочное выполнение двигательного действия.

Предмет и задачи биомеханики

Рис.1.3. Оптимальная (1) и нерациональные (2 и 3) траектории движения штанги при выполнении тяжелоатлетических упражнений (В.И.Фролов, 1980)

Второй задачей является разработка новых вариантов техники и оценка их эффективности. В качестве примера решения второй задачи можно привести историю изобретения прыжка в высоту способом Фосбери-флоп. Этот способ был изобретен в США. В 1968 году на Летних Олимпийских играх в Мексике Дик Фосбери с помощью нового способа выиграл золотую олимпийскую награду, установив новый олимпийский рекорд (2,24 метра), рис. 1.4. Основное преимущество новой техники прыжка заключается в том, что траектория общего центра масс спортсмена (ОЦМ) проходит под планкой, в то время как при способе перекидной – над планкой.

Предмет и задачи биомеханики

Рис.1.4. Техника движений спортсмена и траектория ОЦМ при переходе через планку прыжком Фосбери-флоп

Третьей задачей является моделирование новых двигательных действий и оценка возможности их выполнения спортсменом. Так, например, компьютерная программа, моделирующая полетную фазу при выполнении гимнастических упражнений, позволяет на основе данных ведущих спортсменов мира задать основные биомеханические характеристики движения, после этого оценить, возможно ли в принципе его выполнить, рис.1.5.

Предмет и задачи биомеханики

Рис.1.5. Компьютерная программа, моделирующая полетную фазу при выполнении гимнастических упражнений (разработчик В.П. Аксенов)

Четвертой задачей является разработка биомеханически целесообразных тренажеров для занятий физической культурой и спортом. Примером решения этой задачи может являться конструирование различных гребных тренажеров, позволяющих имитировать движения гребца на суше, рис.1.6.

Предмет и задачи биомеханики

Рис. 1.6. Гребной тренажер

Пятой задачей является разработка и улучшение снаряжения спортсмена, повышающего эффективность двигательных действий. В качестве примера решения этой задачи можно привести использование специальных маек в пауэрлифтинге, рис.1.7. или гидрокостюмов в плавании, рис.1.8.

Предмет и задачи биомеханики

Рис.1.7. Использование специальной майки в пауэрлифтинге

Предмет и задачи биомеханики Рис. 1.8. Применение гидрокостюмов в плавании

Не менее важной целью биомеханики является предупреждение травм при выполнении двигательных действий и уменьшение их последствий.

Поэтому шестой задачей, которую помогает решить биомеханика, является оценка правильности существующей техники и выявление ошибок, которые могут привести к травмам. В качестве примера можно привести изучение вопросов профилактики травм позвоночника при выполнении приседания со штангой на плечах посредством компьютерной программы Spine, разработанной на кафедре биомеханики НГУ им. П.Ф. Лесгафта (разработчик Г.А. Самсонов). Эта программа позволяет оценить давление на межпозвонковые диски при выполнении силовых упражнений, рис.1.9. Использование программы Spine позволяет оценить технику выполнения силового упражнения с этих позиций и установить предельное значение массы штанги, превышение которого может привести к травмам позвоночника (например, грыже межпозвонкового диска).

Предмет и задачи биомеханики

Рис.1.9. Пользовательский интерфейс компьютерной программы Spine (разработчик Г.А. Самсонов)

Современный инвентарь, используемый в футболе и хоккее, а также в боксе, легкой атлетике и велоспорте также использует знания, накопленные биомеханикой. Он позволяет уменьшить возможности получения спортсменами тяжелых травм и решить седьмую задачу, стоящую перед биомеханикой двигательных действий, рис.1.10.

Предмет и задачи биомеханики

Рис.1.10. Примеры защитного снаряжения, используемые в хоккее и боксе

Рекомендуемая литература

1. Попов, Г.И. Биомеханика двигательной деятельности: учеб. для студ. учреждений высш. проф. образования / Г.И. Попов, А.В. Самсонова.- М.: Издательский центр "Академия", 2011.- 320 с.

2. Петров, В.А. Механика спортивных движений / В.А.Петров, Ю.А. Гагин .- М.: Физкультура и спорт, 1974.- 232 с.

3. Самсонова А.В., Кичайкина Н.Б., Самсонов Г.А., Борисевич М.А.  Вопросы профилактики травм позвоночника при выполнении атлетических упражнений //Труды кафедры биомеханики университета им. П.Ф.Лесгафта.- 2014.- Вып. 8.- С. 38-44.