Составляющие составного Движения

Составное движение образуется из нескольких составляющих движений звеньев в сочленениях биокинематической цепи.

В простейших случаях в механике складываются два поступатель­ных движения двух тел.

Когда в составном движений принимают участие два тела, то обычно составляющие движения называют переносными и относи­тельными. Платформа как бы переносит на себе движение по ней груза; движение платформы переносное. Движение же груза по платформе относительно системы отсчета, связанной с самой платформой, относительное. Тогда движение груза в неподвижной системе отсчета (Земля) результирующее: это ре­зультат двух составляющих движений.

В теле человека таких движений не бывает, так как почти во всех суставах звенья движутся вокруг осей сочленений. В биокинематических цепях обычно движется много звеньев; одни «несут» на себе движения других (несущие и несомые движения). Несущее движение (например, мах бедром при выносе ноги в беге) изменяет несомое (сгибание голени).

При движениях в незамкнутой кинематической цепи угловые пере­мещения, скорости и ускорения, если они направлены в одну сторону, складываются. Разнонаправленные движения не складываются, а вы­читаются (суммируются алгебраически).

Сложнее составные движения, в которых составляющие движения вращательные (по дуге окружности) и поступательные (вдоль радиуса)

В составном движении, образованном из вращательных состав­ляющих движений (в биокинематической цепи), вследствие суммиро­вания равнонаправленных и вычитания разнонаправленных движений в разных суставах всегда происходит прибавление движения и вдоль радиуса (поступательное). Значит, биокинематическая цепь (по прямой линии — от ее начала до конца) укорачивается или удлиняется (напри­мер, при махе рукой, ногой в прыжках). Вектор v груза повернулся в сторону вращения. Эти два изменения скорости обусловлены ускорением Кориолйса. Когда биокинематическая цепь укорачивается, кориолисово ускорение звеньев, приближающихся к оси вращения, направлено навстречу вращению, а когда удлиняется, — в сторону вращения. От кориолйсова ускорения зависит убыстрение и замедление углового поворота, что можно объяснить появлением кориолйсовых сил инерции.

В биокинематических цепях с большим числом степеней свободы движений кинематика очень сложна. Каждое движение в сочленениях незамкнутой цепи (например, свободной конечности) влияет на тра­ектории, скорости и ускорения более отдаленных звеньев. В этих случаях характеристики составных движений проще регистрировать, чем рассчитывать. Чаще всего определить их заранее нельзя: слишком уж много возможных вариантов. В процессе тренировки происходит согласование движений звеньев, необходимое для достижения цели, обеспечивается необходимая плав­ность и рациональная форма траек­торий, происходит согласование величины и направлений скоростей; регулируется быстрота нарастания и снижения ускорений. Последнее определяет резкость движений и зависит от быстроты увеличения и ослабления усилий. Одно­временно ритмы движений звеньев и цепей согласуются в общий ритм действия. Происходит сложная ин­теграция движений биомеханичес­кой системы посредством процесса управления движениями.

.Движения биокинематических цепей

В зависимости от направления скоростей движения звеньев тела человека могут быть возвратно-вращательными, возвратно-по­ступательными и круговыми.

Строение сочленений не позво­ляет совершать движения в суставах по «принципу колеса», т. е. делать неограниченный поворот вокруг оси сустава в одну сторону. Поэтому почти все движения имеют воз­вратный характер. Возвратно-вращательные движе­ния напоминают движения маятника вокруг оси, расположенной попе­рек биокинематической цепи (сгибание-разгибание) или продольно (супинация-пронация).

Определенное согласование вращательных движений в различных суставах биокинематической цепи позволяет конечным звеньям дви­гаться поступательно (кисть боксера при вращательных движениях в плечевом и локтевом суставах; туловище бегуна при отталкивании ногой). Пример возвратно-поступательного движе­ния — работа пилой, напильником. В этих случаях угловые скорости противоположно направленных движений одинаковы (пара скоростей).

Наконец, в шаровидных суставах возможно сложное круговое движение, когда продольная ось звена описывает коническую поверх­ность. При этом согласуются два движения: самой продольной оси и звена вокруг этой оси. Только такое конусообразное движение и может выполняться без обязательных возвратных движений.

В возвратных движениях имеется критическая точка, в которой происходит смена направления движения (амортизации на отталки­вание — в беге, заноса весла на гребковое движение — в гребле, замаха ракеткой на ударное движение — в теннисе). В каждом суставе направ­ления и размах движений ограничены. Значит, звено в суставе может занимать не любое, а лишь анатомически возможное положение. Однако из бесчисленного множества возможных движений только малая часть вызвана потребностями человека и отвечает энергетиче­ским требованиям. Эти движения отобраны и закрепились в челове­ческой практике как наиболее рациональные, стали привычными к общеупотребительными.

Динамика составных движений

В динамике абсолютно твердого тела действие силы рассматри­вается как причина изменения движения. Однако если силы уравно­вешены, то изменения движения не произойдет. В деформируемом теле возникает при этом деформация и связанное с нею изменение напря­жения внутри тела (статическое действие).

Сила, действующая статически, уравновешена другой силой и вызывает не ускорение, а только деформацию тела. Силу, действу­ющую статически, измеряют уравновешивающей ее силой. Если на данное тело М действуют с одинаковыми силами F A и F B два тела А и В , то эти силы взаимно уравновешиваются. Обе силы

действуют статически, ускорения нет, скорость тела М не изменяется. Каждая из этих сил (действие имеет равное и противо­положное противодействие (реакции R A и R B ). В случае уравновеши­вания имеются три тела (М, А, В) и два взаимодействия. Следует подчеркнуть, что уравновешиваются F A и F B . Соответствующие действия и противодействия F A и # А , а также F B и R B не уравно­вешиваются, так как они приложены к разным телам.

Как показано на рис. 30, б, силы могут действовать статически в покое (реакция опоры R уравновешивает силу тяжести гимнаста G ), а также (рис. 30, в) в движении, направленном перпендикулярно к уравновешивающей силе (реакция опоры R уравновешивает силу тяжести скользящего конькобежца G ), и в движении по направлению уравновешенной силы (сопротивление воздуха и трение лыж о снег Q уравновешивают при постоянной скорости спуска скатывающую составляющую S силы тяжести лыжника G — рис. 30, г). Реакция опоры R уравновешивает нормальную составляющую ( N ). Уравновешенная сила независимо от покоя или направления движения сама по себе не изменяет скорости тела.

Во всех случаях уравновешенная сила обусловливает только де­формацию того тела, к которому она приложена. Нелишне заметить, что при взаимном уравновешивании статически действуют обе силы.

Сила, действующая динамически, не уравновешена другой силой. Она вызывает ускорение, а также деформацию тела, к которому приложена. Такую силу измеряют по изменению движений тела, к которому она приложена, но при этом обычно не определяют затрат работы на деформацию.

Сила F m , приложенная к телу М), вызовет ускорение, зависящее от массы этого тела. Однако в реальных условиях необ­ходимо учитывать, что всегда существуют другие тела (Земля, среда — воздух, вода и пр.), которые могут оказывать тормозящее действие. Поэтому в принципе и здесь не будет взаимодействия только

двух тел. Сила, действующая динамически (действие), вызывает ускорение и деформацию, а также противодействие ускоряемого тела — силу инерции. Зная массу ускоряемого тела и его ускорение под действием динамической силы, определяют ее величину и направление.

Силы, приложенные к звеньям тела человека, действуя динами­чески, приводят к различному результату. В зависимости от того, как направлены силы относительно скорости движущегося тела, различают:

— движущие силы, которые совпадают с направлением ско­рости (попутные) или образуют с ним острый угол и могут, совершать положительную работу;

— тормозящие силы, которые направлены противоположно направлению скорости (встречные) или образуют с ним тупой угол и могут совершать отрицательную работу;

— отклоняющие силы, перпендикулярные к направлению скорости и увеличивающие кривизну траектории;

— возвращающие силы, также перпендикулярные к направ­лению движения, но уменьшающие .кривизну траектории.

Обе последние группы сил непосредственно не изменяют величину тангенциальной (касательной) скорости.

От соотношения сил, приложенных к каждому звену тела, зависит и результат их действия.

Тормозящие силы имеются всегда. Если движущие силы больше тормозящих, то их разность—ускоряющая сила—обусловлива­ет увеличение скорости, сообщает телу положительное ускорение, со­вершает положительную работу, увеличивает кинетическую энергию тела. Необходимо подчеркнуть, что не вся движущая сила обуслов­ливает ускорение, а только ее избыток над тормозящей силой, т. е. ускоряющая сила. Значит не вся движущая сила совершает работу по передвижению звеньев. Значительная часть работы переходит в механическую энергию деформации и, кроме того, в немеханические формы энергии (прежде всего в тепловую). Если нет движущих сил (у них нулевая величина — движение происходит по инерции) или они меньше тормозящих, то их разность — замедляющая сила — уменьшает скорость, обусловливает отрицательное ускорение (замед­ление). От соотношения отклоняющих и возвращающих сил зависит действие поворачивающей силы, изменяющей кривизну траектории. С уменьшением поворачивающей силы траектория выпрямляется, приближаясь к прямолинейной.

Силы, приложенные к звену в месте контакта с соседним, — су­ставные силы. Силы, приложенные к звену тела на плече силы, создают относительно оси сустава суставные моменты. Действие их в основном такое же, как и самих сил: ускоряющее, замедляющее, поворачивающее. В конечном счете именно действие суставных сил и суставных моментов сил и вызывает изменение положений тела и изменение движений.

Скорости звеньев изменяются в результате импульсов сил и моментов сил. Множество сил обусловливает для каждого звена в сочленении результирующий импульс момента сил. Каждое звено

изменяет скорость вращения вокруг оси в суставе вследствие именно к нему приложенных сил. Причины движений для каждого звена в биокинематических цепях разные. Именно поэтому в материальной системе при ее разнообразных движениях нельзя найти одну равно­действующую силу, которая заменяла бы для всех звеньев все силы, приложенные к каждому звену. Можно лишь устанавливать равно­действующие силы и моменты сил для каждого звена.

В материальной системе не действуют аксиомы статики о при­ложении двух равных и противоположных сил и р переносе вектора силы по его направлению. Приложение двух сил или перенос силы вызывает деформацию и изменяет напряжение. Вектор силы в мате­риальной системе не скользящий, а связанный, и поэтому его пере­носить нельзя. По этой же причине в материальной системе нельзя складывать параллельные силы (тяжести, инерции) и понятия «центр тяжести», «центр инерции» для нее не имеют физического смысла. Однако для расчетов, а также для уяснения характера процессов применяют прием отвердения. Условно считают биомеханическую систему на данный момент времени отвердевшей, превратившейся в одно твердое тело. Тогда можно найти положения ЦМ такими же способами, как центра тяжести твердого тела; можно привести силы к точке; возможен перенос реакции опоры в ЦМ и другие операции. Делаются в биомеханике и иные допущения: множество фактических источников сил сводится к немногим; тело человека рассматривается по редуцированной (сокращенной) схеме (14 или 16 звеньев вместо более 200) и др. Считается, что усилия передаются от одного звена к другому без потерь, в то время как полнота передачи определяется суставной жесткостью, зависящей от мышечных суставных моментов, от напряженности мышц. Делая подобные упрощения, без которых вообще невозможно изучать движения человека, следует ясно понимать характер и степень допущений, чтобы правильно оценивать получае­мые результаты.

Динамические характеристики

Все движения человека и движимых им тел под действи­ем сил изменяются по величине и направлению скорости. Чтобы раскрыть механизм движений (причины их возник­новения и ход их изменения), исследуют динамические харак­теристики. К ним относятся инерционные характеристики (особенности самих движущихся тел) , силовые (особенности взаимодействия тел) и энергетические (состояния и измене­ния работоспособности, биомеханических систем) .

Инерционные характеристики раскрывают, каковы особенности тела человека и движимых им тел в их взаимо­действиях. От инерционных характеристик зависит сохране­ние и изменение скорости.

Все физические тела обладают свойством инертности (или инерции), которое проявляется в сохранении движения, а так­же в особенностях изменения его под действием сил.

Понятие инерции раскрывается в первом законе Ньюто­на: "Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равно­мерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы не заставят его изменить это состояние".

Говоря проще: тело сохраняет свою скорость, а также под действием внешних сил изменяет ее.

Масса - это мера инертности тела при поступатель­ном движении. Она измеряется отношением величины при­ложенной силы к вызываемому ею ускорению.

Масса тела характеризует, как именно приложенная сила может изменить движение тела. Одна и та же сила вызовет большее ускорение у тела с меньшей массой, чем у тела с боль­шей массой.

Момент инерции - это мера инертности тела при вращательном движении. Момент инерции тела относитель­но оси равен сумме произведений масс веек его частиц на квадраты их расстояний от данной оси вращения.

Отсюда видно, что момент инерции тела больше, когда его частицы дальше от оси вращения, а значит угловое ускорение тела под действием того же момента силы меньше; если части­цы ближе к оси, то угловое ускорение больше, а момент инерции меньше. Значит, если приблизить тело к оси, то легче вызвать угловое ускорение, легче разогнать тело во вращении, легче и остановить его. Этим пользуются при движении вокруг оси.

Силовые характеристики. Известно, что движение тела мо­жет происходить как под действием приложенной к нему движу­щей силы, так и без движущей силы (по инерции), когда приложе­на только тормозящая сила. Движущие силы приложены не все­гда; без тормозящих же сил движения не бывает. Изменение движений происходит под действием сил. Сила не причина дви­жения, а причина изменения движения; силовые характеристики раскрывают связь действия силы с изменением движения.

Сила — это мера механического воздействия одного тела на другое в данный момент времени. Численно она определя­ется произведением массы тела и его ускорения, вызванного данной силой.

Чаще всего говорят про силу и результат ее действия, но это применимо только к простейшему поступательному дви­жению тела. В движениях человека как системы тел, где все движения частей тела вращательные, изменение вращатель­ного движения зависит не от силы, а от момента силы.

Момент силы - это мера вращающего действия силы на тело. Он определяется произведением силы на ее плечо.

Момент силы обычно считают положительным, когда сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицатель­ным при повороте по часовой стрелке.

Чтобы сила могла проявить свое вращающее действие, она должна иметь плечо. Иначе говоря, она не должна прохо­дить через ось вращения.

Определение силы или момента силы, если известна мас­са или момент инерции, позволяет узнать только ускорение, т.е. как быстро изменяется скорость. Надо еще узнать, на­сколько именно изменится скорость. Для этого должно быть известно, как долго была приложена сила. Иначе говоря, сле­дует определить импульс силы (или ее момента) .

Импульс силы - это мера воздействия силы на тело за данный промежуток времени (в поступательном движе­нии) . Он равен произведению силы и продолжительности ее действия.

Любая сила, приложенная даже в малые доли секунды (например: удар по мячу) , имеет импульс. Именно импульс силы определяет изменение скорости, силой же обусловлено только ускорение.

Во вращательном движении момент силы, действуя в те­чение определенного времени, создает импульс момента силы.

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

Вследствие импульса как силы, так и момента силы воз­никают изменения движения, зависящие от инерционных свойств тела и проявляющиеся в изменении скорости (коли­чество движения, кинетический момент) .

Количество движения — это мера поступательного дви­жения тела, характеризующая его способность передавать­ся другому телу в виде механического движения. Количество движения тела измеряется произведением массы тела на его скорость.

Кинетический момент (момент количества движе­ния) - это мера вращательного движения тела, характери­зующая его способность передаваться другому телу в виде механического движения. Кинетический момент равен про­изведению момента инерции относительно оси вращения на угловую скорость тела.

Соответствующее изменение количества движения происхо­дит под действием импульса силы, а под действием импульса момента силы происходит определенное изменение кинетическо­го момента (момента количества движения) .

Таким образом, к ранее рассмотренным кинематическим мерам изменения движения (скорости и ускорению) добавляют­ся динамические меры изменения движения (количество движе­ния и кинетический момент) . Совместно с мерами действия сил они отражают взаимосвязь сил и движения. Изучение их помога­ет понять физические основы двигательных действий человека.

Энергетические характеристики. При движениях че­ловека силы, приложенные к его телу на некотором пути, со­вершают работу и изменяют положение и скорость звеньев тела, что изменяет его энергию. Работа характеризует процесс, при котором меняется энергия системы. Энергия же ха­рактеризует состояние системы, изменяющейся вследствие работы. Энергетические характеристики показывают, как ме­няются виды энергии при движениях и протекает сам про­цесс изменения энергии.

Работа силы - это мера действия силы на тело при некотором его перемещении под действием этой силы. Она равна произведению модуля силы и перемещения точки при­ложения силы.

Если сила направлена в сторону движения (или под ост­рым углом к этому направлению) , то она совершает положи­тельную работу, увеличивая энергию движения тела. Когда же сила направлена навстречу движению (или под тупым углом к его направлению) , то работа силы отрицательная и энергия движения тела уменьшается.

Работа момента силы — это мера воздействия момента силы на тело на данном пути (во вращательном движении) . Она равна произведению модуля момента силы и угла поворота.

Понятие работы представляет собой меру внешних воз­действий, приложенных к телу на определенном пути, вызы­вающих изменения механического состояния тела.

Энергия - это запас работоспособности системы. Ме­ханическая энергия определяется скоростями движений тел в системе и их взаимным расположением; значит, это энер­гия перемещения и взаимодействия.

Кинетическая энергия тела - это энергия его механи­ческого движения, определяющая возможность совершить работу. При поступательном движении она измеряется по­ловиной произведения массы тела на квадрат его скорости, при вращательном движении половиной произведения момен­та инерции на квадрат его угловой скорости.

Потенциальная энергия тела -это энергия его поло­жения, обусловленная взаимным относительным расположе­нием тел или частей одного и того же тела и характером их взаимодействия. Потенциальная энергия в поле сил тя­жести определяется произведением силы тяжести на раз­ность уровней начального и конечного положения над землей (относительно которого определяется энергия) .

Энергия как мера движения материи переходит из одно­го вида в другой. Так, химическая энергия в мышцах превра­щается в механическую (внутреннюю потенциальную упруго-деформированных мышц). Порожденная последней сила тяги мышц совершает работу и преобразует потенциальную энер­гию в кинетическую энергию движущихся звеньев тела и вне­шних тел. Механическая энергия внешних тел (кинетичес­кая) , передаваясь при их действии на тело человека его звень­ям, преобразуется в потенциальную энергию растягиваемых мышц-антаганистов и в рассеивающуюся тепловую энергию.

Задачи биомеханики спорта

Общая задача изучения движений

Общая задача изучения движений человека в биомеханике спор­та — оценка эффективности приложения сил для более совершенного достижения поставленной цели.

Изучение движений в биомеханике спорта в конечном счете на­правлено на то, чтобы найти совершенные способы двигательных действий и научить лучше их исполнять. Поэтому оно имеет ярко выраженную педагогическую направленность.