Связь биомеханики с другими науками

Описана взаимосвязь биомеханики двигательных действий с научными дисциплинами: анатомией, биохимией, физиологией, спортивной медициной, математикой, механикой, информационными технологиями и теорией и методикой физической культуры.

Биомеханические методы расчета характеристик движений человека

Связь биомеханики двигательных действий человека с другими науками

Биомеханика (греч. bios жизнь + mechane орудие, машина) — раздел биофизики, изучающий механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также физические явления, происходящие в них в процессе жизнедеятельности и перемещения тела в пространстве.

Биомеханика двигательных действий изучает свойства и функции опорно-двигательного аппарата, а также двигательные действия человека на основе понятий, принципов и законов классической механики.

Можно выделить как минимум восемь научных дисциплин, с которыми биомеханика как наука имеет тесные связи:

  1. Анатомия,
  2. Биохимия,
  3. Физиология,
  4. Спортивная медицина,
  5. Математика,
  6. Механика,
  7. Информационные технологии,
  8. Теория и методика физической культуры.

Анатомия

Анатомия — наука, изучающая форму и строение человеческого организма и составляющих его органов и систем и исследующая закономерности развития этого строения в связи с функцией и окружающей организм средой.

Объектом изучения биомеханики является опорно-двигательный аппарат человека, а, следовательно, изучение биомеханики невозможно без знаний, накопленных анатомией. В частности, для биомеханических исследований морфометрических характеристик скелетных мышц: длины, плеча силы и скорости сокращения необходимы данные о месте ее прикрепления к звеньям опорно-двигательного аппарата человека.

Биохимия

Биохимия (биологическая химия) – наука, изучающая входящие в состав организмов органические вещества, их структуру, распределение, превращения и физиологическую роль в организме.

Одним из разделов биохимии является энергетика скелетных мышц. Поэтому механизм мышечного сокращения изучается очень тщательно. Английский физиолог Арчибальд Хилл (рис.1), который изучал зависимость скорости сокращения мышцы от нагрузки («характеристическое уравнение Хилла») получил Нобелевскую премию за исследования энергетики скелетной мышцы.

Арчибалд Хилл (в рубашке с галстуком и шортах) изучает стартовый разгон спортсмена
Рис.1. Арчибалд Хилл (в рубашке с галстуком и бриджах) изучает стартовый разгон спортсмена

Физиология

Физиология – экспериментальная наука, представляющая собой комплекс естественнонаучных дисциплин. Она изучает жизнедеятельность организма и отдельных его систем. Физиология стремится раскрыть механизмы регуляции физиологических функций организма и его взаимодействие с окружающей средой.

Одним из разделов физиологии являются механизмы управления двигательными действиями. Доказано, что сложность управления движениями во многом зависит от количества степеней свободы движущегося органа (например, руки).

Спортивная медицина

Спортивная медицина занимается изучением влияния физических упражнений  и спорта на здоровье человека. В основные задачи этого направления входит составление рекомендаций и медицинский контроль за группами людей, занимающимися спортом, определение необходимых гигиенических параметров физического воспитания.

Одним из разделов спортивной медицины являются спортивные травмы. Изучаются их причины и разрабатываются методы лечения. Биомеханика изучает механические свойства опорно-двигательного аппарата и методы профилактики травм.

Математика

Математика – это наука о количественных отношениях и пространственных формах действительного мира. В нее входят такие дисциплины, как арифметика, алгебра, геометрия, тригонометрия, высшая математика (аналитическая геометрия, линейная алгебра, математический анализ, дифференциальное и интегральное исчисления и др.).

Биомеханика оперирует понятиями: перемещение, скорость, ускорение. Математика рассматривает скорость и ускорение как производные от перемещения. Все расчетные методы используют аппарат математики.

Механика (классическая механика, теоретическая механика, прикладная механика)

Классическая механика — вид механики (раздела физики, изучающего законы изменения положений тел в пространстве со временем и причины, его вызывающие), основанный на законах Ньютона и принципе относительности Галилея. Поэтому её часто называют «ньютоновой механикой».

Теоретическая механика – это наука о закономерностях механического движения материальных объектов, устанавливающих связи между силами и движением материальных объектов с учетом инерционных свойств последних. Теоретическая механика изучает также частный случай механического движения — равновесие материальных объектов.

Прикладная механика, в отличие от теоретической, оперирует не с материальной точкой или абсолютно твердым телом, а с деформированным твердым телом, и позволяет производить расчеты различных конструкций на прочность, жесткость, устойчивость к вибрациям, ударам и другим механическим воздействиям.

Выше уже указывалось, что биомеханика двигательных действий изучает свойства и функции опорно-двигательного аппарата, а также двигательные действия человека на основе понятий, принципов и законов классической механики.

Основу биомеханики составляют также  теоретическая механика, которая изучает механику абсолютно твердого тела и прикладная механика, в которой рассматриваются вопросы  напряженно-деформированного состояния твердого тела. Спортивные снаряды при определенных допущения можно рассматривать как абсолютно твердые тела (например, ядро), поэтому к ним можно применять аппарат классической и теоретической механики. Мышца и окружающие ее ткани, например, фасции рассматривается как деформируемое тело. Поэтому она изучается с точки зрения прикладной механики.

Информационные технологии

Информационные технологии (ИТ) – это множество взаимосвязанных научных и технических областей знания, которые изучают и применяют на практике методы создания, обработки, хранения, защиты и передачи информации с помощью вычислительной техники.

В настоящее время в биомеханике широко применяется компьютерное моделирование. С этой целью разработаны биомеханические программы: ANSYS, NASTRAN, ABAQUS, Solid Works, Cosmos Works, Mimics (рис.2).

Использование программы Mimics при изучении биомеханики бедренной кости
Рис.2. Использование программы Mimics при изучении биомеханики бедренной кости

Кроме того, для биомеханического анализа двигательных действий применяются различные программно-аппаратные комплексы: Qualisys, XSENS MVN, Visual 3D, SiliconCoach, ГЦОЛИФК-2012, Motion Trace, Kinovea, позволяющие рассчитывать различные биомеханические характеристики (рис. 2).

Расчет биомеханических характеристик посредством программы Kinivea
Рис.3. Расчет биомеханических характеристик посредством программы Kinivea

Теория и методика физической культуры

Теория физической культуры (ТФК) как научная дисциплина представляет собой обобщенную систему научных знаний о сущности физической культуры и закономерностях её использования для физического совершенствования человека.

Разделами Теории и методики физической культуры являются спортивная техника и двигательные способности. Биомеханика изучает различные аспекты спортивной техники, в частности, стабильность и эффективность. Биомеханика изучает силовые и скоростные способности, а также выносливость и гибкость.

С уважением, А.В. Самсонова

Похожие записи:


Общий центр масс (ОЦМ) и общий центр тяжести (ОЦТ) тела
Введено понятие ОЦМ (ОЦТ) тела человека. Описаны методы определения положения ОЦМ (ОЦТ) тела человека. Приведены данные о положении…

Деформация растяжение-сжатие материала
Даны определения деформации растяжение-сжатие, механического напряжения, абсолютной и относительной деформации материала. Введено понятие модуля Юнга (модуля продольной…

Прочность материала
Дано определение прочности, предела прочности и временного сопротивления материала. Приведены значения прочности элементов опорно-двигательного аппарата (ОДА) человека.

Механическое напряжение
Дано определение механического напряжения и предела прочности материала. Приведены значения механического напряжения, возникающего в мышечных волокнах при их…

Деформация тела
Дано определение деформации тела и видов деформации (упругой и пластической). Рассмотрены способы деформирования тела: растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб…

Типы конституции по А.А. Богомольцу
Описана биография Александра Александровича Богомольца и типы конституции человека, основанные на состоянии соединительной ткани: астеническая; фиброзная; пастозная…