Эргономическая биомеханика

    История и современные  направления биомеханики  как науки.

    Биомеханика — учение о двигательных возможностях и двигательной деятельности человека и животных.

    Термин  биомеханика составлен из двух греческих  слов: bios — жизнь и mexane — орудие. Как известно, механика— это раздел физики, изучающий механическое движение и механическое взаимодействие материальных тел. Отсюда понятно, что биомеханика — это раздел науки, изучающий двигательные возможности и двигательную деятельность живых существ.

    Наибольший  практический интерес представляет изучение движений человека и высших животных. Первые научные труды здесь написаны Аристотелем (384—322 гг. до н. э.), которого интересовали закономерности движения наземных животных и человека. А основы наших знаний о движениях в воде заложены Архимедом (287—212 гг. до н. э.).

    На  становление биомеханики оказали  влияние выдающиеся мыслители прошлого: римский врач Гален (131 — 201 гг.), Леонардо да Винчи (1452—1519 гг.), Микеланд-жело (1475—1564 гг.), Галилео Галилей (1564—1642 гг.), Исаак Ньютон (1642—1727 гг.), ученик Галилея Джован-ни Альфонсо Борелли (1608—1679 гг.)—автор первой книги по биомеханике “О движениях животных”, вышедшей в свет в 1679 г.

    И. М. Сеченов (1829—1905 гг.), П. Ф. Лесгафт (1837— 1930 гг.), А. А. Ухтомский (1875—1942 гг.) и основоположник отечественной биомеханической школы Н. А. Бернштейн (1896—1966 гг.) много сделали для развития биомеханики труда и спорта. Кроме того, в последние десятилетия возникли и развиваются:

    — инженерная биомеханика, основные достижения которой связаны с роботостроением;

    — 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.

    В дальнейшем эргономическую биомеханику  будем называть просто биомеханикой. 

    Оптимальные двигательные режимы.

    Оптимальным (от лат. optimus — наилучший) называется наилучший вариант из всех возможных. В спорте (а в последнее время и в оздоровительной физкультуре) постоянно идет поиск оптимальных вариантов техники и тактики и определение степени соответствия реально наблюдаемого двигательного режима оптимальному. Тем самым решается задача оптимизации двигательной деятельности или ее рационализации (если не удается достичь идеала, но можно к нему приблизиться).

    Оптимизацией  называют выбор наилучшего варианта из числа возможных. Но что такое  наилучший вариант двигательной деятельности? Общего ответа на этот вопрос не существует, поскольку все зависит от конкретной ситуации и поставленной цели. Так, человек, спасаю-'-" щийся от преследователей, не думает о красоте и экономичности. Главное — бежать быстро. Другое дело, гимнастка, выполняющая вольные упражнения. Она стремится двигаться как можно красивее, в соответствии с эстетическими канонами своего вида спорта. В этих ситуациях различны цели людей. И потому неодинаковы критерии оптимальности, т. е. показатели, используемые для оценки степени достижения поставленной цели (рис. 5).

    Экономичность двигательной деятельности обратно  пропорциональна энергии, затрачиваемой  на единицу выполняемой работы или  метр пройденного пути. Это важнейший  критерий оптимальности, и мы еще  не раз к нему вернемся.

    Механическая  производительность тем выше, чем больший объем работы выполняется за определенное время или чем быстрее выполняется данный объем работы. Например, в циклических видах спорта механическая производительность оценивается временем преодоления соревновательной дистанции, а в массовой физической культуре — расстоянием, которое человек может пройти, пробежать или проплыть за 12 мин. 

    

    Рис. 5 Критерии оптимальности двигательной деятельности 
 

Звенья  тела как рычаги и  маятники.

    Как известно, рычаги бывают первого рода (когда силы приложены по разные стороны от точки опоры) и второго рода. Пример рычага второго рода представлен на рис. 9, А: гравитационная сила (F₁) и противодействующая ей сила мышечной тяги (F₂) приложены по одну сторону от точки опоры, находящейся в данном случае в локтевом суставе. Подобных рычагов в теле человека большинство. Но есть и рычаги первого рода, например голова (рис. 9, Б) и таз в основной стойке.

    Рычаг находится в равновесии, если равны  моменты противодействующих сил (см. рис. 9,А):

    

 

    F₂ —сила тяги двуглавой мышцы плеча; l₂ — короткое плечо рычага, равное расстоянию от места прикрепления сухожилия до оси вращения; α — угол между направлением действия силы и перпендикуляром к продольной оси предплечья.

    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 10 Н) 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. Проиллюстрируем это важное положение  примером 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 дистанцию труднее, чем на близкую, и т. д. Об этом знал еще Архимед, руководивший обороной Сиракуз от римлян и изобретавший рычажные приспособления для метания камней.

    

    

    Руки  и ноги человека могут совершать колебательные движения. Это делает наши конечности похожими на маятники. Наименьшие затраты энергии на перемещение конечностей имеют место, когда частота движений на 20— 30% больше частоты собственных колебаний руки или ноги:

    

    где (g=9,8 м/с²; l — длина маятника, равная расстоянию от точки подвеса до центра масс руки или ноги.

    Эти 20—30% объясняются тем, что нога не является однозвенным цилиндром, а состоит из трех сегментов (бедра, голени и стопы). Обратите внимание: собственная частота колебаний не зависит от массы качающегося тела, но уменьшается при увеличении длины маятника.

    Делая частоту шагов или гребков  при ходьбе, беге, плавании и т. п. резонансной (т. е. близкой к собственной частоте колебаний руки или ноги), удается минимизировать затраты энергии.

    Замечено, что при наиболее экономичном  сочетании частоты и длины  шагов или гребков человек  демонстрирует существенно повышенную физическую работоспособность. Это полезно учитывать не только при тренировке спортсменов, но и при проведении физкультурных занятий в школах и группах здоровья. 

Групповое взаимодействие мышц.

    Существуют  два случая группового взаимодействия мышц: синергизм и антагонизм.

    Мышцы-синергисты перемещают звенья тела в одном направлении. Например, в сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая  мышца плеча, плечевая и плечелучевая мышцы и т. д. Результатом синергического взаимодействия мышц служит увеличение результирующей силы действия. Но этим значение синергизма мышц не исчерпывается. При наличии травмы, а также при локальном утомлении какой-либо мышцы ее синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия.

    Мышцы-антагонисты (в противоположность мышцам-синергистам) имеют 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. 

Основы  биомеханического контроля.

    Двигательное  мастерство человека, его умение в  любых условиях двигаться быстро, точно и красиво, зависит от уровня физической, технической, тактической, психологической и теоретической  подготовленности. Эти пять факторов культуры движений являются ведущими и в спорте, и в физическом воспитании школьников, и при занятиях массовыми формами физкультуры. Для совершенствования двигательного мастерства и даже для сохранения его на прежнем уровне необходим контроль за каждым из на званных факторов.

    Объектом  биомеханического контроля служит моторика человека, т. е. двигательные (физические) качества и их проявления. Это означает, что в итоге биомеханического контроля мы получаем сведения:

    1) о технике двигательных действий  и тактике двигательной деятельности;

    2) о выносливости, силе, быстроте, ловкости  и гибкости, должный уровень которых  является необходимым условием  высокого технико-тактического мастерства (В англоязычной литературе по  физическому воспитанию принят  более широкий перечень двигательных качеств, в том числе способность выполнять упражнения на равновесие, танцевальные упражнения и т. д.).

    Можно сказать еще проще: биомеханический  контроль дает ответ на три вопроса:

    1) Что делает человек?

    2) Насколько хорошо он делает  это?

    3) Благодаря чему он это делает?

    Процедура биомеханического контроля соответствует  следующей схеме:

    

 

Измерения в биомеханике. Шкалы измерений и единицы измерений.

    Шкалой  измерения называется последовательность величин, позволяющая установить соответствие между характеристиками изучаемых  объектов и числами. При биомеханическом  контроле чаще всего используют шкалы  наименований, отношений и порядка.

    Шкала наименований — самая простая  из всех. В этой шкале числа, буквы, слова или другие условные обозначения  выполняют роль ярлыков и служат для обнаружения и различения изучаемых объектов. Например, при  контроле за тактикой игры футбольной команды полевые номера помогают опознать каждого игрока.

    Числа или слова, составляющие шкалу наименований, разрешается менять местами. И если их без ущерба для точности значения измеряемой переменной можно менять местами, то эту переменную следует  измерять по шкале наименований. Например, шкала наименований используется при определении объема техники и тактики (об этом рассказывается в следующем разделе).

    Шкала порядка возникает, когда составляющие шкалу числа упорядочены по рангам, но интервалы между рангами нельзя точно измерить. Например, знания по биомеханике или навыки и умения на уроках физкультуры оцениваются по шкале: “плохо” — “удовлетворительно” — “хорошо” — “отлично”. Шкала порядка дает возможность не только установить факт равенства или неравенства измеряемых объектов, но и определить характер неравенства в качественных понятиях: “больше — меньше”, “лучше — хуже”. Однако на вопросы: “На сколько больше?”, “На сколько лучше?” — шкалы порядка ответе не дают.

    С помощью шкал порядка измеряют “качественные” показатели, не имеющие строгой количественной меры (знания, способности, артистизм, красоту и выразительность движений и т. п.).

    Шкала порядка бесконечна, и в ней  нет нулевого уровня. Это и понятно. Какой бы неправильной ни была, например, походка или осанка человека, всегда можно встретить еще худший вариант. И с другой стороны, какими бы красивыми и выразительными не были двигательные действия гимнастки, всегда найдутся пути сделать их еще прекраснее.

    Шкала отношений самая точная. В ней  числа не только упорядочены по рангам, но и разделены равными интервалами — единицами измерения¹. Особенность шкалы отношений состоит в том, что в ней определено положение нулевой точки.

    По  шкале отношений измеряют размеры  и массу тела и его частей, положение  тела в пространстве, скорость и ускорение, силу, длительность временных интервалов и многие другие биомеханические характеристики. Наглядными примерами шкалы отношений являются: шкала весов, шкала секундомера, шкала спидометра.

    Шкала отношений точнее шкалы порядка. Она позволяет не только узнать, что один объект измерения (технический прием, тактический вариант и т. п.) лучше или хуже другого, но и дает ответы на вопросы, на сколько лучше и во сколько раз лучше. Поэтому в биомеханике стараются применять именно шкалы отношений и с этой целью регистрируют биомеханические характеристики. 

Классификация биомеханических  характеристик и  их единицы измерения.