Связи биомеханики с другими науками

Биомеханика как одна из биологических наук нового типа начинает сближаться по методам исследования с точными науками. Общая биомеханика как раздел биофизики, включающая изучение внутриорганизменных биосистем, возникла на стыке физико-математических и биологических областей знания. Успехи этих наук, использование идей и подходов кибернетики, а также научно-технический прогресс так или иначе сказываются на развитии биомеханики. В свою очередь, эти науки обогащаются данными биомеханики о физике живого. В био­механических исследованиях применяются методы этих смежных наук; в то же время в исследованиях их проблем могут применять­ся биомеханические методы. Здесь налицо двусторонняя связь, обеспечивающая взаимное обогащение теории и методов исследо­вания.

Несколько иначе связана биомеханика с отраслями знания, в которых изучаются конкретные области прикладной двигательной деятельности. Так, развивающаяся инженерная биомеханика смыкается с бионикой, инженерной психологией («человек и машина»), связана с разработкой роботов, манипуляторов и других технических ус­тройств, умножающих возможности человека в труде. Медицинская биомеханика дает обоснование ряду методов протезирования, протезостроения, травматологии, ортопедии, лечебной физической культу­ры. В космической медицине решаются задачи подготовки космонав­тов, обеспечения их работоспособности в условиях невесомости, а

также двигательных действий в космосе. Биомеханика как бы обслу­живает эти области деятельности в процессе решения их прикладных задач.

Методы и законы биомеханики спорта используются также для совершенствования теории и методики физического воспитания, вра­чебного контроля, спортивно-педагогических и других дисциплин, решающих свои конкретные задачи в области физического воспитания.

Сила тяги мышцы зависит от совокупности механических, ана­томических и физиологических условий.

Основным механическим условием, определяющим тягу мышцы, является нагрузка. Без нагрузки на мышцу не может быть ее силы тяги. Нагрузка растягивает мышцу при ее уступающей работе. Против нагрузки мышца выполняет преодолевающую работу. С нарастанием нагрузки сила тяги мышцы увеличивается, но не бес­предельно. Нагрузка может быть представлена весом отягощения, а также его силой инерции и другими силами. Большее ускорение отягощения вызывает большую силу инерции. Следовательно, и при не очень большом отягощении, увеличивая его ускорение, можно увеличивать нагрузку, а значит, и силу тяги мышцы.

Движение звеньев в кинематической цепи как результат прило­жения тяги мышцы зависит также от: а) закрепления звеньев; б) со­отношения сил, вызывающих движение, и сил сопротивления; в) на­чальных условий движения. При различных условиях закрепления звеньев в паре одна и та же тяга приводит к неодинаковому резуль­тату — разным движениям звеньев в суставе. В биокинематической паре может быть закреплено одно или другое звено, либо оба свободны, либо оба закреплены Соответственно возникнут ускорения одного из звеньев, либо обоих вместе (встречные движения), либо соединение будет фиксировано. Для двусуставной мышцы, не говоря уже о многосуставных, возможных вариантов намного больше. На­конец, особо важны для эффекта тяги мышцы начальные условия движения — положение звеньев пары и их скорость (направление и величина) в момент приложения силы тяги мышцы.

Из анатомических условий проявления тяги мышцы надо назвать строение мышцы и ее расположение (в данный момент движения). Физиологический поперечник мышцы (площадь сечения через все волокна перпендикулярно к их продольным осям) определяет

суммарную тягу всех волокон с учетом их взаимного расположе­ния. От расположения волокон за­висит и величина их упругой дефор­мации при растягивании всей мыш­цы, а значит, и величина возникаю­щих упругих сил. Расположение мышцы в каждый момент движе­ния определяет угол ее тяги отно­сительно костного рычага и вели­чину растягивания, что влияет на величину момента силы тяги мыш­цы. При углах, отличающихся от прямого, как уже говорилось, кроме вращающей имеется и укрепляю­щая составляющая тяги мышцы; с увеличением укрепляющей умень­шается вращающая.

Физиологические условия проявления тяги мышцы в основном можно свести к ее возбуждению и утомлению. Эти два фактора отражаются на возможностях мышцы, повышая или снижая ее силу тяги.

Величина силы тяги мышцы связана с быстротой ее продольной деформации. С увеличением скорости сокращения мышцы при пре­одолевающей работе ее сила тяги уменьшается. При уступающей же работе увеличение скорости растягивания мышцы увеличивает ее силу тяги. Это очень важно для оценки силы тяги мышцы при быстрых дви­жениях.

В биокинематических цепях действуют те же факторы, опреде­ляющие результат тяги каждой мышцы. Но так как в биокинема­тической цепи все звенья так или иначе взаимосвязаны, то в каждом конкретном случае лишь совокупность всех факторов определяет результат работы мышц в целом.

Разновидности работы мышц определяются сочетанием измене­ний их силы тяги и длины.

Виды работы мышц (преодолевающая, уступающая) определяются только характером изменения длины всей мышцы: укорочением, удлинением или же сохранением длины. Для каждого из этих трех случаев существует возможность по меньшей мере трех вариантов изменения силы тяги: увеличения, уменьшения или сохранения ее постоянной. Таким образом, схематически можно выделить девять типичных разновидностей работы мышц (табл. 1).

Таблица 1 Типичные разновидности работы мышц 1

		Длина мышцы
	уменьшается	постоянная	увеличивается
Увеличивается	1. Движение «до от-	4. Усиление фикса-	7. Торможение до
	каза»	ции	остановки
"1остоянная	2. Изотоническое	5. Постоянная фик-	8. Изотоническое ус-
	преодоление	сация	тупание
Уменьшается	3. Разгон до макси-	6. Ослабление фик-	9. Притормаживание
	мума скорости	сации	с уступанием
Вид работы	Преодолевающая	Статическая	Уступающая

1 Названия разновидностей условные, поскольку в практике не сложилось еще опре­деленной терминологии.

Во время сохранения положения тела имеет место постоянная фиксация (5), но могут быть случаи, когда необходимо ее усиление (4) или возможно ослабление (6). Изотонический режим при движениях (2 и 8) практически не встречается. В начале каждого активного движения всегда имеет место разгон, увеличение ско­рости (3). Прекращение движения работой мышц — следствие их тормозящей работы (7). Последние две разновидности самые рас­пространенные в движениях и заслуживают особого внимания. В физических упражнениях (особенно скоростно-силового характера) уступающая работа одной и той же мышцы переходит в преодоле­вающую. В этом случае более полно используются силы упругой деформации. В сложных действиях одна и та же мышца может не раз включаться в работу, изменяя при этом ее особенности (разновидности).

Хотя работа мышц и проявляется только через их тягу, разно­видности работы в зависимости от конкретных условий очень раз­нообразны.

Силы трения

Абсолютно гладких поверхностей опоры практически не сущес­твует. Между телом человека и опорой при движении по ней всегда возникает трение.

Сила трения — это мера противодействия движущемуся телу, направленного по касательной к соприкасающимся поверхностям. Сила трения считается равной произведению нормального давления на коэффициент трения:

Т= N * k ; [Т] = ML * ( T в -2 степени)

где ктр — коэффициент трения

Как видно из формулы, коэффициент трения — это отношение силы трения к силе нормального давления (прижимающей силе), которая прижимает трущиеся тела друг к другу:

k (трения)= T/N

Это справедливо для трения сколь­жения, когда одно тело перемещается относительно другого, не теряя контак­та с ним, скользит по нему. Сила трения в этом случае динамическая. Если же одно тело не может скользить по дру­гому, сдвигающая сила не может сдви­нуть его, значит, сила трения удержи­вает тело в неподвижности. Такая сила трения называется статической (или силой трения скольжения покоя). По третьему закону Ньютона статиче­ская сила трения равна сдвигающей силе.

Предел, до которого может увели­чиваться статическая сила трения, называется предельной силой трения скольжения покоя. Она равна произве­дению нормального давления на стати­ческий коэффициент трения сколь­жения:

T=N*k

Следовательно, ста­тический коэффициент тре­ния скольжения равен отноше­нию статической силы трения скольже­ния (предельной) к силе нормального

давления; можно сказать иначе: это отношение сдвигающей силы к прижимающей.

Механизм трения скольжения объясняют зацеплением неровностей поверхностей скользящих тел друг за друга (механическая теория), а также молекулярным сцеплением, когда гладкие поверхности обес­печивают плотный контакт тел (молекулярная теория). При смазке неровности поверхности «сглаживаются».

Второй вид трения, отличающийся от трения скольжения, прояв­ляется при качении, когда точки соприкосновения тел все время сменяются (точки покрышки велосипеда и места его опоры на до­рожке). Механизм трения качения объясняют деформацией соприкасающихся тел. Колесо как бы вдавливается в опору, образуя ямку, через край которой колесу все время приходится перекатываться . Коэффициент трения качения вычисляют как отношение момента движущей силы к моменту трения ( N сила нормального давления, умноженная на ее плечо относительно края ямки — к к ). Плечо силы N , затрудняющей «выкатывание» из ямки, и есть коэффициент трения качения (его размерность — L ).

Третий вид трения проявляется, когда между трущимися поверх­ностями имеется неподвижная точка. Это трение верче­ния — движение происходит вокруг этой точки. Так, стопа при оттал­кивании от опоры, если на подошве обуви нет шипов, вращается относительно грунта. У метателя молота на подошве обуви имеется один шип, верчение происходит при повороте вокруг шипа.

Силы трения, направленные навстречу движению, тормозят его. Они вызывают отрицательное ускорение, совершают отрицательную работу. Силы трения, направленные одинаково с движением, не создают положительного ускорения, не совершают положительной работы, а только не дают точке контакта движущегося тела «про­скальзывать» назад.

Силы тяжести и вес

По закону всемирного тяготения все тела на Земле испытывают силу ее притяжения.

Сила тяжести тела —_это мера его притяжения к Земле (с учетом влияния вращения Земли):

G = т • g; [ G ] = ML T -2 .

Сипа тяжести зависит от масс Земли и притягиваемого ею тела, а также от расстояния между ними. Расстояние от центра Земли до ее поверхности на полюсе меньше (6357 км), а на экваторе больше (6378 км), поэтому сила тяготения на экваторе на 0,2% меньше, чем на полюсах.

Так как Земля вращается вокруг своей оси, тела на ее поверхности испытывают действие центробежной силы инерции (фиктивной) в неинерционной (вращающейся) системе отсчета. Она больше всего на экваторе и уменьшает там силу тяготения еще на 0,3% (по сравнению с положением на полюсах). Поэтому сила тяжести равна геометрической сумме сил тяготения (гравитационной) и центробежной (инерционной).

На каждое звено и на все тело человека действуют силы тяжести как внешние силы, вызванные притяжением и вращением Земли. Равно­действующая параллельных сил тяжести тела приложена к его центру тяжести.

Когда тело покоится на опоре (или подвешено), сила тяжести, приложенная к телу, прижимает его к опоре (или отрывает от подвеса). Это действие тела на опору (нижнюю или верхнюю) измеряется весом тела . Вес тела (статический) — это мера воздействия тела в покое на покоящуюся же опору (или подвес), мешающую его падению. Значит, сила тяжести и вес тела не одна и та же сила. Вес всего тела человека приложен не к нему самому, а к его опоре (сила тяжести — дистантная, вес — контактная сила). В фазе полета в беге веса нет, это случай невесомости.

При воздействии головы на шейные позвонки взаимодействуют голова и позвоночный столб. Таким образом, вес головы относительно всего тела человека — сила внутренняя, относительно же позвоночного столба — внешняя. Вес, например, штанги, удерживаемой человеком, для него, конечно, внешняя сила.

При движении тела с ускорением, направленным по вертикали, возникает вертикальная сила инерции. Она направлена в сторону, противоположную ускорению. Если сила инерции направлена вниз, то она складывается со статическим весом; сила давления на опору при этом увеличивается. Если же сила инерции направлена вверх, то она вычитается из статического веса; сила давления на опору уменьшается. В обоих случаях измененный вес называют динамическим, он больше или меньше статического. Динамический вес штанги в руках спортсмена действует на него извне (внешняя сила). Динамический вес туловища при выпрыгивании вверх действует на ноги внутри тела (внутренняя сила относительно всего тела и внешняя — относительно ног).

Силы реакции опоры

Действие веса тела на опору встречает противодействие, которое называют реакцией опоры (или опорной реакцией).

Реакция опоры — это мера противодействия опоры действию на нее тела, находящегося с ней в контакте (в покое или движении). Она равна силе действия тела на опору, направлена в противоположную сторону и приложена к этому телу.

Обычно человек,, находясь на горизонтальной опоре, испытывает противодействие своему весу. В этом случае опорная реакция, как и вес тела, направлена перпендикулярно к опоре. Это нормальная (или идеальная) реакция опоры. Если поверхность не плоская, то опорная реакция перпендикулярна к плоскости, касательной к точке опоры.

Когда вес статический, то реакция опоры статическая; по величине она равна статическому весу. Если человек на опоре движется с ускорением, направленным вверх, то к статическому весу добавляется сила инерции и возникает динамическая реакция опоры. Реакция опоры — сила пассивная (реактивная). Она не может сама по себе вызвать положительные ускорения. Но без нее — если нет опоры, если не от чего оттолкнуться (или не к чему притянуться) — человек не может активно перемещаться.

Если отталкиваться от горизонтальной опоры не прямо вверх, то и сила давления на опору будет приложена не под прямым углом

к ее поверхности. Тогда реакция опоры также не будет перпендикулярна к поверх­ности, ее можно разложить нанормальную и касательную составляющие. Когда соприкасающиеся поверхности ров­ные, без выступов, шипов и т. п. (асфальт, подошва ботинка), то касательная состав­ляющая реакции опоры и есть сила трения.

Касательная реакция может быть обу­словлена не только трением (как, напри­мер, между лыжей и снегом), но и другими взаимодействиями (например, шипы бего­вых туфель, вонзившиеся в дорожку).

Равнодействующая нормальной и каса­тельной составляющих называется об­щей реакцией опоры. Она только при свободном неподвижном положении над опорой (или под опорой) проходит через ЦМ человека. Во время же движений, отталкивания или амортизации она обычно не проходит через ЦМ, образуя относи­тельно него момент.

Соединенные два соседних звена тела образуют пару, а пары, в свою очередь, соединены в цепи.

Биокинематическая пара — это подвижное (кинематическое) соеди­нение двух костных звеньев, в котором возможности движений определяются его строением и управляющим воздействием мышц.

В технических механизмах соединения двух звеньев — кинематиче­ские пары — устроены обычно так, что возможны лишь вполне опре­деленные, заранее заданные движения. Одни возможности не огра-

ничены (их характеризуют степени свободы движения), други. полностью ограничены (их характеризуют степени связи) .

Различают связи: а) геометрические (постоянные препятствия пере­мещению в каком-либо направлении, например костное ограничение в суставе) и б) кинематические (ограничение скорости, например мыш­цей-антагонистом) .

В биокинематических парах имеются постоянные степени связи, которые определяют собой сколько как максимум и каких остается степеней свободы движения. Почти все биокинематические пары в основном вращательные (шарнирные); немногие допускают чисто поступательное скольжение звеньев относительно друг друга и лишь одна пара (голеностопный сустав) — винтовое движение.

Биокинематическая цепь — это последовательное либо незамкну­тое (разветвленное), либо замкнутое соединение ряда биокинемати­ческих пар (рис. 10, а).

В незамкнутых цепях имеется свободное (конечное) звено, входящее лишь в одну пару. В замкнутых цепях нет свободного конечного звена, каждое звено входит в две пары.

В незамкнутой цепи, следовательно, возможны изоли­рованные движения в каждом отдельно взятом суставе. В двигатель­ных действиях движения в незамкнутых цепях происходят обычно одновременно во многих суставах, но возможность изолированного движения не исключена.

В замкнутой цепи изолированные движения в одном су­ставе невозможны: в движение неизбежно одновременно вовлекаются и другие соединения (рис. 10, б).

Значительная часть незамкнутых биокинематических цепей осна­щена многосуставными мышцами. Поэтому движения в одних су­ставах через такие мышцы бывают связаны с движениями в соседних суставах. Однако при точном управлении движениями во многих случаях эту взаимную связь можно преодолеть, «выключить». В замкнутых же цепях связь непреодолима и действия мышц обяза­тельно передаются на отдаленные суставы.

Незамкнутая цепь может стать замкнутой, если конечное свободное звено получит связь (опора, захват) с другим звеном цепи (непосред­ственно или через какое-либо тело).