Биомеханические характеристики

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.

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 отсчета расстояний, 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: 

  
 
 

 В систему  отсчета времени входят определение начала движения и единицы отсчета продолжительности движения. За единицу отсчета времени принимают секунду, минуту, час, долю секунд (0,1; ).)1 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 (D S) измеряется в единицах длины (метрах). Угловое перемещение ( Dj ) 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 ( D S® 0).  

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:  

  

  

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.  

  

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  a = F / m;  

- 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 D t = tk - tн - 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.  

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

Энергия - это  запас работоспособности системы. Кинетическая энергия механического  движения тела определяет возможность  совершения работы.  

  

Потенциальная энергия тела - это энергия его  положения, обусловленная взаимным расположением тел или частей тела; это энергия состояния тела, обусловленная внутренним напряжением  мышц, температурой тела и др. 
 
 
 

 где g = 9,8 м/с2 - ускорение свободно падающего тела, h - высота центра масс тела над поверхностью земли, С - модуль упругости, D l - упругая деформация тела.  

Полная энергия  движущегося тела равна сумме  его потенциальной и кинетической энергии в поступательном в вращательном движениях:  

  

Экономичность двигательного аппарата человека характеризуется  рядом показателей, в том числе  коэффициентом механической эффективности:  

  

где Е - количество метаболической энергии, N - скорость ее расходования, А - энергетическая стоимость метра пути или единицы полезной работы.  

  

- пульсовая стоимость  метра пути или единицы полезной  работы, например для бега:  

  

Пульсовую стоимость  легче измерить, чем энергетическую и, в некоторых случаях, пульсовая  стоимость информативнее энергетической.  

Биомеханические характеристики являются одним из основных вопросов биомеханики. Без их усвоения нельзя рассчитывать на успех в изучении и практическом применении биомеханики.