 |
Экзаменационный билет № 4. 1. Взаимосвязь биомеханики с другими науками. Использование основ биомеханики в педагогической деятельности по физическому воспитанию. История развития биомеханики.
|
|
|
|
Экзаменационный билет № 4
1. Взаимосвязь биомеханики с другими науками. Использование основ биомеханики в педагогической деятельности по физическому воспитанию. История развития биомеханики.
Биомеханика находится на стыке разных наук: медицины, физики, математики, физиологии, биофизики, вовлекая в свою сферу различных специалистов, таких как инженеры, конструкторы, технологи, программисты и др. Взаимодействие биомеханики с биохимией, психологией и эстетикой дало жизнь новым научным направлениям, которые, едва родившись, уже приносят большую практическую пользу. В их числе «психобиомеханика», энергетические и эстетические аспекты биомеханики. Более других медико-биологических и педагогических дисциплин биомеханика использует достижения электронно-вычислительной техники. Но главное - биомеханика служит связующим звеном между теорией и практикой физического воспитания, спорта и массовой физической культуры. Опираясь на знание биомеханики, педагогу легче учить своих воспитанников. Профессионал-музыкант различает голоса разных инструментов, тонко оценивает согласованность их звучания, замечает ошибки и, кроме того, может «мысленно услышать» звуки, записанные на нотных линейках. Так и специалист по физическому воспитанию должен уметь «мысленно увидеть» движение, если зарегистрированы его характеристики (траектория, скорость, сила и т. д. ).
Биомеханика – одна из самых старых ветвей биологии. Леонардо да Винчи (1452 – 1519): интересовался строением человеческого тела (анатомией) в связи с движением. Он описал механику тела при переходе из положения сидя к положению стоя, при ходьбе вверх и вниз, при прыжках и, по-видимому, впервые дал описание походок.
|
|
|
Р. Декарт (1596-1650): создал основу рефлекторной теории, показав, что причиной движений может быть конкретный фактор внешней среды, воздействующий на органы чувств. Этим объяснялось происхождение непроизвольных движений.
Д. Борелли (1608-1679) –положил начало биомеханике как отрасли науки. Он рассматривал организм человека как машину и стремился объяснить дыхание, движение крови и работу мышц с позиций механики.
Браун и Фишер (конец XIX столетия) разработали совершенную методику регистрации движений, детально изучили динамическую сторону перемещений конечностей и общего центра тяжести (ОЦТ) человека при нормальной ходьбе.
К. Х. Кекчеев (1923) изучал биомеханику патологических походок, используя методику Брауна и Фишера.
П. Ф. Лесгафтом (1837-1909) создана биомеханика физических упражнений, разработанная на основе динамической анатомии.
Большой вклад в познание взаимодействия уровней регуляции движений внес Н. А. Бернштейн (1880 - 1968). Им дано теоретическое обоснование процессов управления движениями с позиций общей теории больших систем. Исследования Н. А. Бернштейна позволили установить чрезвычайно важный принцип управления движениями, общепризнанный в настоящее время. Нейрофизиологические концепции Н. А. Бернштейна послужили основой формирования современной теории биомеханики движений человека.
2. Момент импульса тела. Свободные оси. Статика. Центр тяжести. Рычаги и блоки.
Моментом импульса (L) тела, вращающегося вокруг оси, называется величина, равная произведению момента инерции относительно данной оси на угловую скорость вращения:
ело может вращаться не только вокруг закрепленной оси, но и вокруг оси, которая не закреплена. В любом теле можно выбрать такие оси, направление которых при вращении вокруг них будет сохраняться без каких либо специальных устройств (н-р, подшипников). Такие оси называют свободными.
|
|
|
Свободные оси - оси, которые без специального закрепления сохраняют свое направление в пространстве.
Пример: ось вращения Земли и волчка, ось всякого брошенного и свободно вращающегося тела. Очевидно, что для однородных тел свободной осью является ось полной геометрической симметрии. Можно доказать, что в любом теле имеется не менее трех взаимно перпендикулярных свободных осей вращения, Эти оси называются главными осями инерции. При этом оказывается, что при отсутствии внешних воздействий устойчивым является вращение тела только вокруг двух осей, относительно которых оно имеет наибольший или наименьший момент инерции. Н-р, если, подбросив тело, привести его во вращение относительно произвольной оси, то, падая, оно само по себе перейдет к вращению вокруг оси, которой соответствует или наибольший, или наименьший момент инерции. В некоторых случаях, когда тело вращается около свободной оси с малым моментом инерции, оно самопроизвольно изменяет эту ось на ось с наибольшим моментом.
Вращение человека в свободном полете и при различных прыжках происходит вокруг главной оси с наибольшим или наименьшим моментом инерции. Так как положение центра масс зависит от позы, то при различных позах направления главных осей будут различны.
У человека из-за наличия многозвенных, большей частью, открытых в ходе движения кинематических цепей, имеется большое число степеней свободы. Так, подвижность кончиков пальцев отностельно грудной клетки определяется 12 степенями свободы; запястья относительно лопатки - 7; а общее число степеней свободы всего тела - трехзначное число.
Часть динамики, изучающая условия равновесия тел, называется статикой (гр. - стоящий).
Равновесием тела называется такое его положение, которое сохраняется без дополнительных воздействий. Опираясь на уравнения динамики поступательного и вращательного движений, можно сформулировать следующие условия равновесия твердого тела.
• Тело не начнет двигаться поступательно, если сумма сил, действующих на него, равна нулю:
F1+ F 2+ F 3+... = 0.
• Тело не придет во вращательное движение, если для любой оси сумма моментов сил, действующих на него, равна нулю:
|
|
|
М1+М2+М3+... =0.
Центром тяжести тела (ЦТ) называется точка, относительно которой сумма моментов сил тяжести, действующих на все частицы тела, равна нулю.
Т. о., сила тяжести не вызывают вращения тела вокруг центра тяжести. Поэтому все силы тяжести можно было бы заменить единственной силой, которая приложена к этой точке и равна силе тяжести.
На использовании законов статика основано действие простейших механизмов, используемых для изменения величины или направления силы.
Рычаг – твердое тело, чаще в виде стержня, которое может вращаться (поворачиваться) вокруг неподвижной оси.
При равновесии рычага под действием двух параллельных сил ось вращения делит расстояние между точками приложения сил на отрезки обратно пропорциональные величинам сил.
Равновесие рычага наступает при условии, что отношение приложенных к его концам параллельных сил обратно отношению плеч и моменты этих сил противоположны по знаку. Поэтому, прикладывая небольшую силу к длинному концу рычага, можно уравновесить гораздо большую силу, приложенную к короткому концу рычага. В зависимости от взаимного расположения точек приложения сил и оси различают рычаги 1-го и 2-го рода:
Рычаг 1-го рода. Силы расположены по обе стороны от оси. Подобными рычагами являются длинный шест, с помощью которого поднимают тяжелый камень.
Рычаг 2-го рода. Силы расположены по одну сторону от опоры. К данному виду относится, н-р, тачка, при использовании которой усилие рук приложено на «максимальном» расстоянии от оси колеса (максимальное плечо), что позволяет перевозить большие грузы.
Применение рычага в механизмах дает выигрыш в силе, при этом столько же проигрывается в перемещении. Рычаг не дает выигрыша в работе.
Многие суставы работают по принципу рычага второго рода. При этом мышцы, действуют на меньшее плечо рычага. Это приводит к проигрышу в силе, и к выигрышу в перемещении и скорости. В результате, при сравнительно малом по протяженности движении мышцы, звено или конечность описывают значительно большую траекторию.
|
|
|
Эта особенность в строении костно-мышечных узлов должна вызвать дополнительные осложнения в центральном регулировании движении, так как увеличение траектории перемещения звеньев сочетается с большим количеством степеней свободы подвижности, присущих человеческому телу как кинематической цепи.
Блок, как и рычаг, относится к простейшим механизмам. Он выполняется в форме диска, свободно вращающегося на оси. По окружности диск имеет желоб для цепи (каната, нити). Используется равенство натяжения во всех точках цепи, которая движется без трения.
Неподвижный блок не дает выигрыша в силе, но позволяет изменять ее направление. Так, можно поднимать груз вверх, действуя на веревку силой, направленной вниз, что менее утомительно.
Подвижный блок дает двукратный выигрыш в силе. Для удобства применения подвижный блок часто используют в комбинации с неподвижным.
Аппараты блокового типа применяются в механотерапии при тренировках по облегчению (восстановлению) движений в суставах и укреплению мышц.
Опорно-двигательный аппарат человека состоит из сочлененных между собой костей скелета. Кости скелета действуют как рычаги, которые имеют точку опоры в сочленениях или во внешней среде и приводятся в движение силой тяги, возникающей при сокращении мышц, прикрепленным к костям.
Рычаг первого рода, обеспечивающий перемещение или равновесие головы в саггитальной плоскости.
Рычаг второго рода, дающий человеку вставать на цыпочки. По принципу рычага второго рода работает предплечье человека.
Способ прикрепления мускулов, который имеется в теле человека, обеспечивает конечностям быстроту движений, более важную в борьбе за существование, нежели сила. Человек был бы крайне медлительным существом, если бы руки у него не были устроены по этому принципу.
|
|
|
