Биомеханика движения человека

1.Введение

    Термин биомеханика составлен из двух греческих слов: Bios - жизнь и mexane - орудие. 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.

     Движение  лежит в основе жизнедеятельности  человека. Разнообразные химические и физические процессы в клетках  тела, работа сердца и течение крови, дыхание, пищеварение и выделение; перемещение тела в пространстве и частей тела относительно друг друга; сложнейшая нервная деятельность, являющаяся физиологическим механизмом психики, восприятие и анализ внешнего и внутреннего  мира - все это различные формы  движения материи.

     Основным  условием жизни вообще является взаимодействие живого организма с окружающей средой. В этом взаимодействии существенную роль играет двигательная деятельность. Только передвигаясь, животное может  находить себе пищу, защищать свою жизнь, производить потомство и обеспечивать его существование. Только при помощи разнообразных и сложных движений человек совершает трудовую деятельность, общается с другими людьми, говорит, пишет и пр. Определенным образом  организованная двигательная деятельность является основой физического воспитания и основным содержанием спорта.

     Наиболее  элементарной формой движения материи  является механическое движение, т.е. перемещение  тела в пространстве. Закономерности механического движения изучаются  механикой. Предметом механики как  науки является изучение изменений  пространственного расположения тел  и тех причин, или сил, которые  вызывают эти изменения.

     Вскрывая  и описывая условия, необходимые  для осуществления того или иного  механического движения, механика является важной теоретической основой техники, в особенности техники построения разнообразных механизмов. Механическая точка зрения может быть использована и при изучении механических движений человека.

     Двигательная  деятельность человека практически  осуществляется при участии всех органов тела. Однако непосредственным исполнителем функции движения является двигательный аппарат, состоящий из костей, скелета, связок и мышц с  их иннервацией и кровеносными сосудами. С механической точки зрения, двигательный аппарат совмещает в себе рабочую машину и машину-двигатель.

     Устройство  двигательного аппарата является предметом  изучения анатомии. Изучение двигательного  аппарата как машины-двигателя производится, главным образом, биохимией и  физиологией. Изучение его как рабочей  машины является задачей особой научной  дисциплины - биомеханики.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.Биомеханика  движения человека

2.1. Биомеханические характеристики

    Специфической особенностью биомеханики являются биомеханические характеристики движений. Это показатели количественной оценки, описания и анализа механического  состояния в результате двигательной деятельности. Все биомеханические  характеристики делятся на кинематические, динамические и энергетические. 

2.1.1.Кинематические  характеристики

    Кинематические  характеристики отражают движение тела и его частей в пространстве и их изменение во времени, т.е. дают внешнюю картину (форму, характер) двигательной деятельности. К ним относят пространственные, временные, пространственно - временные характеристики. Все перемещения тела можно измерить только базируясь на сравнении положения какого-либо тела или точки отсчета, т.е. все движения рассматриваются как относительные, поэтому необходимо выбрать системы отсчеты расстояний и времени. Система отсчета (расстояния) - условно выбранное твердое тело (точка), относительно которого определяют положение других тел в разные моменты времени. Наиболее популярной системой отсчета является прямоугольная система координат, в которой положение материальной точки в пространстве описывается ее координатами на трех взаимно перпендикулярных осях (вертикальной и двух горизонтальных - поперечной и продольной) (рис.1).

Самой простейшей системой отсчета является естественный способ описания движения, когда за исходную точку принимают  точку на известной траектории перемещения (километровый указатель на дороге) (рис.1).

В векторном  способе отсчета расстояний положение  точки определяют радиус-вектором R (рис.1), проведенным из центра данной системы координат к интересующей точке (используется в навигации, ориентировании и т.д.). Как частный случай векторного способа выделяют способ полярных координат, когда расстояние определяют длинной  вектора, а направление - углом между  вектором и принятым исходным направлением (полярная ось) (рис.1) (используется в  парусном спорте и в спортивном ориентировании).

Используя несложные вычисления можно легко  переходить от способа прямоугольных  координат к полярному и наоборот. Зная координаты точки можно определить вектор и угол: 
 
 
 

 

Рисунок 1

     
В систему отсчета времени входят определение начала движения и единицы  отсчета продолжительности движения. За единицу отсчета времени принимают  секунду, минуту, час, долю секунд и  т.д.).

    К пространственным характеристикам, определяющим положение тела и его частей в  пространстве, относят координаты точки - это пространственная мера местоположения точки относительно точки отсчета. Рис.1 Способы отсчета расстояний: а) прямоугольных координат, б) естественный, в) векторный, г) полярный.

    Перемещение тела (точки) - это расстояние по прямой между начальным и конечным положением тела. Линейное перемещение измеряется в единицах длины (метрах). Угловое перемещение угол поворота тела или его частей (при вращательных движениях) измеряется в градусах. Элементарное перемещение - это такое перемещение точки, при котором расстояние между конечным и начальным положением тела стремится к нулю.

    Траектория - это множество точек пространства через которые последовательно проходит тело во время движения в данной системе координат.

    Временные характеристики раскрывают движение во времени. К ним относится момент времени, длительность, темп и ритм движения.

    Момент  времени - это временная мера положения точки тела в принятой системе отсчета времени. Это промежуток времени стремящийся к нулю. Например, момент старта и др.

    Длительность  движения - это временная мера, определяемая разностью времен окончания и начала движения.

 

      
 
       Темп движения - это временная мера повторения движений. Измеряется количеством повторяемых движений в единицу времени.

;

Например, количество шагов в секунду отображает количественную сторону движения.

    Ритм  движения - это временная мера соотношения частей движения. Величина безразмерная, характеризует качественную сторону структуры движения, например, в отношение времени фазы опоры ко времени фазы полета в беге. 

    Пространственно - временные характеристики позволяют  оценить движение тела одновременно в двух системах отсчета (в пространстве и во времени), к ним относятся  скорость и ускорение. Скорость показывает, как быстро изменяются координаты тела и его материальных точек.

    Скорость  равна отношению перемещения  тела к промежутку времени, за который  это перемещение произошло:

-линейная  скорость:

-угловая  скорость:

Ускорение характеризует быстроту изменения  скорости:

- линейное ускорение : 

- угловое ускорение : 

    Средняя скорость - это такая скорость, с  которой тело при равномерном  движении за какое-то время прошло бы все перемещение:

     
 
        Мгновенная скорость - это перемещение тела за промежуток времени, стремящийся к нулю. Это перемещение в данный момент времени. 
 
 

2.1.2. Динамические характеристики

    Все движения человека изменяются по величине, направлению и скорости. Причиной этих изменений являются действующие  на биосистему внешние и внутренние силы. Для анализа механизма движений биосистемы исследуют динамические характеристики, к ним относят  инерционные характеристики (свойства тела человека и др. тел)

    Инертность - это свойство тела или его частей сохранять свое внутреннее состояние, состояние движения или состояние покоя. Под инерцией внутреннего состояния системы подразумевается напряжение мышц (упругие деформации мышц), температура тела и т.п. Инерция покоя оценивается массой тела, измеряемой отношением величины приложения силы к вызываемому им ускорению:

     
 
         Инерция движения тела определяется величиной силы необходимой для остановки тела и направленной противоположно движению:

 

    Сила - это мера механического действия одного тела на другое. Числено определяется произведением массы тела на его ускорение, вызванное данной силой.

    При вращательном движении инертность тела определяется моментом инерции, равным произведению массы тела на квадрат  радиуса вращения. 

     
        Действие силы определяется моментом силы, равным произведению величины силы на ее плечо: 

     
         Ускорение, приобретенное телом, прямо пропорционально действующей силе и обратно пропорционально его инертности:

- линейное  ускорение 

- угловое  ускорение : 

Поскольку ускорение есть изменение скорости в единицу времени: 

отсюда  следует: 

    Значит, изменение скорости тела зависит  от величины силы и времени ее действия (t). Следовательно, можно выделить биомеханические  характеристики:

- импульс  силы: 

- импульс  момента силы: 

где ∆t = t_к – t_н - интервал времени от начала до окончания действия силы;

- средние величины  силы вращающего  момента.

    Импульс силы - это мера воздействия силы на твердое тело за данный промежуток времени (в поступательном движении). 

    Импульс момента силы - это мера воздействия момента силы относительно данной оси за данный промежуток времени (во вращательном движении) 

    Вследствие  воздействия импульса силы или момента  силы тело изменяет свое движение или  состояние. Эти изменения определяются количеством движения и кинетическим моментом. 

    Количество  движения - это мера поступательного движения, она определяется произведение массы тела на его скорость: 
 

     
        Кинетический момент - это мера вращательного движения, она определяется произведением момента инерции тела относительно оси вращения на его скорость.

2.1.3. Энергетические характеристики

    Энергетические  характеристики показывают, как изменения скорости движения и положения тела изменяют его энергетическое состояние. При движениях тело совершает работу. Механическая работа равна произведению силы на перемещение:

     
 
        Для оценки силы определяют ее мощность, характеризующую быстроту выполнения работы. Мощность силы - это мера эффективности работы, т.е. быстроты выполнения работы, определяется следующим образом: