Биомеханика и координация движений

Перевод современного животноводства на индустриальные рельсы поставил перед ветеринарными специалистами много новых проблем. Дело в том, что животноводческие и птицеводческие производственные комплексы оснащены множеством механиз­мов и аппаратов, которые, с одной стороны, повышают эффек­тивность производства, а с другой стороны, отрицательно ска­зываются на жизнедеятельности и продуктивности животных и птицы, находящихся в условиях, значительно отличающихся oт природных. Выявление объективной роли физиологического дей­ствия гиподинамии, искусственного освещения, вибраций, про­изводственных шумов, электромагнитных полей возможно толь­ко с помощью ветеринарных врачей, вооруженных знаниями фи­зики и биофизики.

Использование современных физических методов в клини­ческой ветеринарии позволяет усовершенствовать диагностику, профилактику и лечение сельскохозяйственных животных и птицы и тем самым способствовать повышению их продуктив­ности. Взаимодействие физики с биологией привело к созданию большого арсенала технических средств, используемых в лабо­раторной и клинической ветеринарии. На вооружение ветери­нарных врачей поступает новейшая диагностическая и исследо­вательская аппаратура, источники лазерного излучения, прибо­ры для автоматической регистрации физиологических процес­сов в организме животных и многое другое. Можно с уверен­ностью сказать, что в настоящее время нет такой области ве­теринарии, которая не пользовалась бы физическими приборами и не применяла бы физических и биофизических методов для диагностики и лечения.

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).

Движения живых существ интересовали человека с давних времен. Однако отсутствие научных методов их изучения ограничивало возможность оценить значение механизмов, лежащих в основе движений. Тем не менее, такие ученые, как Аристотель, Клавдий Гален, Леонардо да Винчи, заложили основы науки о движениях человека и животных.

Аристотель (384-322 до н.э.) – выдающийся греческий ученый, мыслитель, описал разные типы походок, пытаясь понять, какие силы действуют на человека при ходьбе. Он может считаться первым биомехаником, так как написал трактат: «De Motu Animalium» – «Движения животных».

Велик вклад в изучение функций о механике локомоций организма человека КлавдияГалена (129 – 201 г.г. н.э.) – анатома, врача и естествоиспытателя, который считается классиком античной медицины. Клавдий Гален был врачом римского императора Марка Аврелия и написал более 400 трактатов по медицине, среди которых есть труд о функциях человеческого тела. Гален опровергал мнение Аристотеля о мозге как о железе, выделяющей слизь для охлаждения теплоты сердца. Он считал, что мозг является средоточием движения, чувствительности и душевной деятельности.

В развитии биомеханики особенно велика роль Леонардо да Винчи (1452 – 1519) – выдающегося итальянского живописца, скульптора, архитектора, учёного и инженера. Как художник, Леонардо да Винчи большое внимание уделял изучению анатомии, особенно пропорций человеческого тела. Сохранилось огромное количество рисунков Леонардо да Винчи, посвященных исследованию расположения мышц и внутренних органов

Большой вклад в развитие биомеханики как науки внес итальянский астроном, математик и врач Джованни Альфонсо Борелли (1608-1679), который так же, как и Леонардо да Винчи, рассматривал мышцы и опорно-двигательный аппарат животных и человека с позиций механики.

Он рассмотрел с точки зрения механики условия равновесия человеческого тела, дал определение общего центра тяжести на основе экспериментальных данных.

Следует отметить, что математический аппарат того времени более всего был приспособлен для изучения статических положений человека, так как знаменитая книга Исаака Ньютона «Математические начала натуральной философии», в которой были заложены основы дифференциального и интегрального исчислений, была опубликована в 1686 году, через семь лет после смерти Борелли.

Последующее развитие биомеханики как науки связано с трудами немецких ученых братьев Эдуарда и Вильгельма Веберов. Эдуард Вебер был анатомом, а Вильгельм – физиком. В 1836 году они издали книгу «Mechanik der menschlichen Gehwerkzeuge» – «Механика ходьбы человека». В этой книге они привели данные о кинематических характеристиках ходьбы человека.

Однако несовершенство используемых методик не позволило провести анализ быстротекущих двигательных действий.

В биомеханике мышц до сих пор справедлив принцип, впервые сформулированный Э. Вебером: «С ила мышц, при прочих равных условиях, пропорциональна ее поперечному сечению».

Проникновение в биомеханику подлинно научных методов исследования связано с французским изобретателем Жаком Луи Дагером (1787 – 1851). В 1839 году им был разработан первый практический способ фотографии.

Дальнейший шаг по внедрению научных методов исследования в биомеханику был сделан французским физиологом Этьеном-Жюлем Маре (1830-1904).

Э.Ж. Маре разработал метод пневмографии – записи опорных реакций с помощью передачи давления воздуха. В подошвы ботинка человека встраивались воздушные камеры. Во время опоры давление воздуха в камере повышалось, оно передавалось по трубочкам на прибор, который испытуемый держал в руке (рис. 2.5).

Это позволило определить длительность периодов опоры и полета при ходьбе и беге. Более серьезным изобретением Э.Ж. Маре является силовая платформа, позволяющая регистрировать величину реакции опоры при отталкивании. В 1872 году американский фотограф Эдвард Майбридж (1830-1904), поставив в ряд несколько фотоаппаратов, получил моментальные снимки последовательных фаз движения человека и животных (рис. 2.6).

Значительный след в развитии биомеханики оставили отечественные ученые: Петр Францевич Лесгафт (1837 – 1909) – известный анатом, педагог, основавший высшее учебное заведение, которое носит теперь его имя (СПбГУФК им. П.Ф. Лесгафта). В своем труде «Основы теоретической анатомии», первое издание которого датируется 1892 годом, П.Ф. Лесгафт рассмотрел ряд проблем, смежных с биомеханикой: механические свойства биологических тканей; особенности строения и соединения костей в зависимости от действующих на них сил.

Иван Михайлович Сеченов (1829-1905) – известный русский физиолог, окончил медицинский факультет Московского университета, получил также хорошее техническое образование в артиллерийском училище. Это позволило ему, кроме исследований по физиологии, внести солидный вклад в биомеханику рабочих движений.

В 1901 он издал книгу «Очерк рабочих движений человека», в которой подробно рассмотрел следующие вопросы: работу опорно-двигательного аппарата (ОДА) как рабочей машины (формы суставов, плечи сил тяги мышц); механику мышечного сокращения (факторы, определяющие силу мышцы); биомеханические свойства мышцы (в частности, упругие свойства мышцы); функции верхней и нижней конечностей человека как рабочей машины. Кроме этого, детальному биомеханическому анализу были подвергнуты некоторые физические упражнения.

Работа профессора Ленинградского университета, академика Алексея Алексеевича Ухтомского (1875 – 1942) «Физиология двигательного аппарата» была издана в 1927 году. В предисловии к этой книге А.А. Ухтомский писал: «…Построив вычислительную науку о движении и механизмах, человек возвращается к собственной мускулатуре с новой задачей – переработать свои сведения о ней по образцу учения о внешних механизмах».

Николай Александрович Бернштейн (1896 – 1966) – выдающийся русский физиолог и биомеханик, много времени посвятил изучению биомеханики спортивных и трудовых движений.

В начале 20-х годов XX века он, используя методику циклосъемки, получил огромный фактический материал по кинематике и динамике ходьбы, бега и прыжка.

Большой вклад в изучение механизмов мышечного сокращения внес английский физиологАрчибалд Вивиен Хилл (1886-1977). В 1923 году он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине «За открытия в области теплообразования в мышце». Будучи по образованию математиком (закончил Кембриджский Университет), Арчибалд Хилл предложил описание зависимости скорости укорочения мышцы от значений внешней нагрузки (характеристическое уравнение Хилла).

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.

Биомеханический анализ движений человека всегда начинается с определения различных характеристик движущегося тела. Этими характеристиками могут быть различные механические характеристики (например, перемещение, скорость, ускорение) и биологические характеристики (сила тяги мышцы, время суммарной электрической активности мышцы).

В биомеханике широко используются механические характеристики движущегося тела. Прежде чем перейти к описанию механических характеристик введем ряд понятий, характеризующих механическое движение тел.

Биомеханика и координация движений

Сокращение мышц связано с преобразованием химической энергии в механическую работу. Если мышца, сократившись, в состоянии напряжения удерживает груз, такая работа называется статической (например сидения, стояния). Если сокращение мышцы чередуется с его расслаблением и при этом тело человека или его отдельные органы перемещаются в пространстве, то в этом случае работа называется динамической.

Перемещение тела в пространстве связано с движением его скелета, который приводится в действие активной частью опорно-двигательного аппарата — мышцами. Мышца представляет собой вязкое эластичное тело, при его растяжении возбуждаются рецепторы, которые посылают импульсы в центральную нервную систему, а возвращаясь в мышцу, они противодействуют его растяжению.

Движения костей подчинены законам механики, и их можно рассматривать как движения рычагов. В каждом рычаги плечи. К одному из них прикладывается сила массы тела, во второй — сила мышечной тяги. Поэтому первое плечо получило название плеча силы массы тела, а второе — силы мышечной тяги.

Как и в механике, в живом организме мы наблюдаем рычаги первого и второго рода.

Рычаги первого рода двуплечий, сила массы тела и сила мышечной тяги направлены в одну сторону (вниз). Примером рычага первого рода может служить соединения головы с позвоночником в атлантопотиличному суставе. Плечи рычага расположены по обе стороны от сустава. На переднее плечо рычага действует сила тяжести лицевой части головы, а на заднее — сила мышц шеи, головы, спины, которые прикрепляются к затылочной кости. Голова находится в вертикальном положении (равновесии) благодаря равенству моментов силы массы тела и силы мышечной тяги рычага (черепа). Фактически сила затылочных мышц и уравновешивает массу головы. Поэтому рычаг первого рода называют рычагом равновесия, или покоя. Примером рычага равновесия может служить и таз, который балансирует на головках бедренных костей.

Рычаг второго рода тоже двуплечий, но в нем сила массы тела действует вниз, а сила мышечной массы — вверх. Примером такого рычага может служить предплечье. Напряжением двуглавой мышцы (сила мышечной тяги), который прикрепляется у локтевого сустава (точки опоры), достигается преодолением силы массы предплечья, и работа выполняется с большой скоростью, поэтому этот рычаг еще называют рычагом скорости. Примером рычага второго рода также может служить стопа, когда человек поднимается на цыпочки. В этом случае рычагом является вся стопа. Точка опоры — головки плюсневых костей, точка приложения силы мышечной тяги — пяточный бугор, к которому пяточным (ахилловым) сухожилием прикрепляется трехглавая мышца голени. Он же и поднимает всю массу тела вверх. В этом примере, как и в предыдущем, обе силы действуют в разных направлениях, но, в отличие от рычага скорости, здесь плечо силы мышечной тяги будет длиннее, чем плечо силы массы. Поэтому этот рычаг принято называть рычагом силы.

Характеристика положений или движений тела с позиции законов биомеханики необходима для понимания работы опорно-двигательного аппарата. Для этого нужны знания не только о работе рычагов как отдельных цепей тела, но и воздействие на тело других внешних сил. Наибольшее значение для анатомической характеристики положений тела или движений человека имеют сила тяжести, сила реакции опоры, сила инерции, сила трения и сила сопротивления среды.

Сила тяжести (или гравитация) равна массе тела, приложенной в месте расположения общего центра массы (ЗЦМ) и направлена ​​вниз.

Сила реакции опоры — это сила, равная массе тела, но действует в противоположном направлении. До тех пор, пока сила тяжести и сила реакции опоры уравновешенные, тело будет находиться в равновесии.Если сила тяжести больше силы реакции опоры, тело падает, а когда сила реакции опоры больше силы массы тела, оно откидываться от площади опоры (например прыжки на батуте).

Сила реакции опоры при ходьбе, прыжках, беге направлена ​​к телу под углом, в результате чего она разлагается по правилу параллелограмма на две составляющие: вертикальную и горизонтальную. Вертикальная составляющая силы реакции опоры направлена ​​вверх и взаимодействует с силой тяжести, а горизонтальная (сила трения) влияет на перемещение тела; она или облегчает движение тела, или, наоборот, тормозит.

Сила сопротивления среды действует на тело при движении его в различных средах (воздушное, водное).Эта сила зависит от площади лобовой поверхности сопротивления тела, скорости и плотности внешней среды. При уменьшении лобовой поверхности (например, езда на велосипеде с низкой посадкой) сопротивление среды уменьшается.

К внутренним силам относят силу тяги мышц, которая будет тем больше, чем сильнее сокращается, напрягается мышца.

Мышечная координация, например сокращение мышц передней поверхности плеча, вызывает расслабление мышц-антагонистов, лежащие на задней поверхности плеча, а также пассивное сопротивление тканей, который осуществляют связи и суставные сумки, вязкость мышц, сила инерции и др. Тело человека, как и каждое физическое тело, находится в состоянии равновесия, когда центр массы тела расположен так, что перпендикуляр, опущенный от центра массы до опоры, падает в пределах опоры. Когда линия от центра массы тела выходит за пределы опоры, тело или падает, или начинает двигаться. Тело падающего содержится напряжением мышц, если же их сила недостаточна, тело падает.

Центр массы человеческого тела есть точка приложения равнодействующей всех сил массы отдельных частей тела — головы, туловища, конечностей. Центр массы содержится на уровне II крестцового позвонка, немного выше симфиза лобковых костей и равна 5-10 мм. У мужчин центр массы на 1-2 см выше, чем у женщин того же роста. Центр массы не может оставаться постоянно на одном месте. Он смещается в зависимости от возраста человека, пола, массы тела и др. В течение суток центр массы также смещается. Это зависит от функционального состояния сердечно-сосудистой, пищеварительной, дыхательной систем, а также от положения тела в пространстве.

Лекция 2

2.1. Колебания.

Колебаниями называют процессы, отличающиеся той или иной степенью повторяемости. Колебания являются процессами, повторяющимися через одинаковые промежутки времени (при этом далеко не все повторяющиеся процессы являются колебаниями).

В зависимости от физической природы повторяющегося процесса различают колебания механические, электромагнитные, электромеханические и т.п. При механических колебаниях периодически изменяются положения и координаты тел. При электрических – напряжение и сила тока.

В зависимости от характера воздействия на колеблющуюся систему различают свободные колебания, вынужденные, автоколебания и параметрические колебания.

Повторяющиеся процессы непрерывно происходят внутри любого живого организма, например: сокращения сердца, работа легких; мы дрожим, когда нам холодно; мы слышим и разговариваем благодаря колебаниям барабанных перепонок и голосовых связок; при ходьбе наши ноги совершают колебательные движения. Колеблются атомы, из которых мы состоим. Мир, в котором мы живем, склонен к колебаниям.

2.2 Периодические колебания.

Периодическими называют такие колебания, при которых все характеристики движения повторяются через определенный промежуток времени.

Для периодических колебаний используют следующие характеристики: • период колебаний Т, равный времени, в течение которого совершается одно полное колебание; • частота колебаний ν, равная числу колебаний, совершаемых за одну секунду (ν = 1/Т); Параметрические колебания осуществляются при периодическом изменении параметров колеблющейся системы (качающийся на качелях человек периодически поднимает и опускает свой центр тяжести, тем самым меняя параметры системы).

При определенных условиях система становится неустойчивой - случайно возникшее отклонение из положения равновесия приводит к возникновению и нарастанию колебаний. Это явление называется параметрическим возбуждением колебаний (т.е. колебания возбуждаются за счет изменения параметров системы), а сами колебания – параметрическими.

Несмотря на разную физическую природу, для колебаний характерны одни и те же закономерности, которые исследуются общими методами.

Важной кинематической характеристикой является форма колебаний. Она определяется видом той функции времени, которая описывает изменение той или иной физической величины при колебаниях. Наиболее важными являются такие колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону синуса или косинуса. Они называются гармоническими. Этот вид колебаний особенно важен по следующим причинам. Во-первых, колебания в природе и в технике часто имеют характер очень близких к гармоническим. Во-вторых, периодические процессы иной формы (с другой зависимостью от времени) могут быть представлены как наложение, или суперпозиция, гармонических колебаний.

2.3 Гармонические колебания. Гармонический осциллятор

Особое место среди периодических колебаний занимают гармонические колебания. Их значимость обусловлена следующими причинами. Во-первых, колебания в природе и в технике часто имеют характер, очень близкий к гармоническому, и, во-вторых, периодические процессы иной формы (с другой зависимостью от времени) могут быть представлены как наложение нескольких гармонических колебаний.

Гармонические колебания - это колебания, при которых наблюдаемая величина изменяется во времени по закону синуса или косинуса: В математике функции этого вида называют гармоническими, поэтому колебания, описываемые такими функциями, тоже называют гармоническими.

Положение тела, совершающего колебательное движение, характеризуется смещением относительно равновесного положения. В этом случае величины, входящие в формулу (1.1), имеют следующий смысл: х - смещение тела в момент времени t; А - амплитуда колебаний, равная максимальному смещению; ω - круговая частота колебаний (число колебаний, совершаемых за 2π секунд), связанная с частотой колебаний соотношением: φ = (ωt +φ0) - фаза колебаний (в момент времени t); φ0 -начальная фаза колебаний (при t = 0). Рис. Графики зависимости смещения от времени для х(0) = А и х(0) = 0

2.4 Свободные колебания.

Свободными или собственными называются такие колебания, которые происходят в системе, предоставленной самой себе, после того как она была выведена из положения равновесия. Примером могут служить колебания шарика, подвешенного на нити. Для того чтобы вызвать колебания, нужно либо толкнуть шарик, либо, отведя в сторону, отпустить его. При толчке шарику сообщается кинетическая энергия, а при отклонении сообщается потенциальная энергия. Свободные колебания совершаются за счет первоначального запаса энергии.

Свободные колебания могут быть незатухающими только при отсутствии силы трения. В противном случае первоначальный запас энергии будет расходоваться на ее преодоление, и размах колебаний будет уменьшаться. В качестве примера рассмотрим колебания тела, подвешенного на невесомой пружине, возникающие после того, как тело отклонили вниз, а затем отпустили.

Колебания тела на пружине Математический маятник - небольшое тело (материальная точка), подвешенное на невесомой нити. Если нить отклонить от положения равновесия на небольшой (до 5°) угол α и отпустить, то тело будет совершать колебания с периодом, определяемым по формуле где L - длина нити, g - ускорение свободного падения.

2.6. Вынужденные колебания, резонанс

Свободные колебания при наличии сил трения являются затухающими. Незатухающие колебания можно создать с помощью периодического внешнего воздействия. Вынужденными называются такие колебания, в процессе которых колеблющаяся система подвергается воздействию внешней периодической силы (ее называют вынуждающей силой).

Резонансом называется достижение максимальной амплитуды вынужденных колебаний при определенном значении частоты вынуждающей силы.

Автоколебания, как и вынужденные колебания, сопровождаются воздействием на колеблющуюся систему внешних сил, однако, моменты времени, когда осуществляются эти воздействия, задаются самой колеблющейся системой. То есть система сама управляет внешним воздействием. Примером автоколебательной системы являются часы, в которых маятник получает толчки за счет энергии поднятой гири или закрученной пружины, причем эти толчки происходят в моменты прохождения маятника через среднее положение.

Автоколебания - это незатухающие колебания, которые могут существовать в какой-либо системе при отсутствии переменного внешнего воздействия, причём амплитуда и период колебаний определяются свойствами самой системы. Этим автоколебания отличаются от вынужденных колебаний, амплитуда и период которых определяются характером внешнего воздействия (приставка «авто» и указывает на то, что колебания возникают в самой системе, а не навязываются внешним воздействием).

Автоколебания отличаются и от свободных колебаний (например, колебаний свободно подвешенного маятника, колебаний силы тока в электрическом контуре) тем, что, во-первых, свободные колебания постепенно затухают, во-вторых, их амплитуда зависит от первоначального «толчка», создающего эти колебания.

Примерами автоколебаний могут служить колебания, совершаемые маятником часов, колебания струны в смычковых или столба воздуха в духовых музыкальных инструментах, электрические колебания в ламповом генераторе. Системы, в которых возникают автоколебания, называются автоколебательными.