Строение биомеханической системы.

Для изучения опорно-двигательного аппарата человека как био­механической системы необходимо последовательно рассмотреть стро­ение этой системы и ее свойства. С точки зрения биомеханики опорно-двигательный аппарат — это управляемые биокинематические цепи (звенья и их соединения), оснащенные группами мышц. Вместе они выполняют задаваемые движения как биомеханизм.

Самой характерной чертой строения биомеханической системы считается его переменный характер. И число движущихся звеньев, и степени свободы движений, и состав мышечных групп, и их взаимодействия переменны.

Звенья биокинематических цепей

Биокинематические цепи опорно-двигательного аппарата состо­ят из подвижно соединенных звеньев (твердых, упругих и гибких) и отличаются их переменным составом, своей длиной и формой (составные рычаги и маятники).

Фиксирование суставов (блокада) и их освобождение (снятие ди­намических связей — тяги мышц) изменяют число движущихся звеньев в цепи. Она может превратиться как бы в одно звено или сохранять движение в части сочленений или во всех сочленениях.

Расстояние по прямой от проксимального сочленения до конца открытой цепи при ее сгибании-разгибании изменяется. Многозвенные маятники поэтому имеют переменную длину. Это влияет на величину инертного сопротивления (изменения момента инерции).

Биокинематические цепи, замыкаясь геометрически (связыванием между собой концевых звеньев), изменяют свои свойства (передача усилий, возможности управления). В частности, возникают составные

рычаги со сложной передачей тяг многосуставных мышц. Твердые; Звенья (кости), упругие (мышцы) и гибкие (связки, сами мышцы; и их сухожилия), изменяя степень и характер своего участия в движениях, обеспечивают многообразные возможности движений. .

Механизмы соединений

Механизмы соединений звеньев в биомеханических цепях и неод­ноосных сочленениях позволяют определять требуемое движение благодаря образованию биодинамически полносвязного механизма.

Биодинамически полносвязный механизм (биомеханизм) характе­ризуется выключением лишних в данном движении степеней свободы. Тяги групп мышц обеспечивают требуемое направление движений звеньев в биокинематических цепях и регулирование их скоростей. Кроме этого, мышцы при необходимости ограничивают и размах движений, затормаживая звенья раньше, чем наступает пассивное ограничение (костно-суставно-связочное).

Направление движений, скорости звеньев и размах движений в ряде суставов взаимосвязаны благодаря совместному действию многосу­ставных мышц.

Мышечные синергии

Мышечные тяги в биокинематических цепях складываются в мы­шечные синергии — согласованные тяги группы мышц переменного действия, управляющие группой звеньев.

С одной стороны, мышцы изменяют свое действие по ходу движения, действие, их переменно. С другой стороны, в сложных установившихся движениях совместное действие мышц настолько стабильно, что они представляют собой весьма постоянные устойчивые объединения («двигательные ансамбли», по А. А. Ух­томскому).

Этим обеспечивается управление каждым звеном и всем биоме­ханизмом в целом в соответствии с решаемой двигательной задачей. Из бесчисленного количества возможных движений выделялись, усо­вершенствовались и стали применяться лишь немногие, наиболее целесообразные. Определяющую роль в этом играют мы­шечные синергии, находящиеся под контролем и управляемые со стороны нервной системы. Их активность строго согласуется с множеством сил, приложенных к костным звеньям, и направлена на наиболее рациональное использование законов биомеханики для ре­шения задачи двигательного действия.

Разновидности работы мышц

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
Постоянная	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

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 т о р -мозящей 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.

Биодинамика прыжка

В прыжках расстояние преодолевается полетом. При этом дости­гается либо наибольшая длина прыжка (прыжок в длину с разбега, тройной прыжок), либо наибольшая высота (прыжок в высоту с разбега, прыжок с шестом), либо значительная и длина и высота (опорный прыжок в гимнастике). Траектория ОЦМ тела спортсмена в полете определяется формулами:

где l — длина и h — высота траектории ОЦМ (без учета его высоты в моменты вылета и приземления), v — начальная скорость ОЦМ в полете, а — угол наклона вектора скорости к горизонтали в момент вылета и g — ускорение свободно падающего тела. Как видно из формул, особенно важны величина начальной скорости ОЦМ и угол его вылета. Начальная скорость ОЦМ создается при отталкивании, а также при подготовке к нему. Таким образом, в спортивных прыжках различается подготовка к отталкиванию, отталкивание от опоры, полет и амортизация (после приземления) 1 . В подготовку входят разбег и подготовительные движения на месте отталкивания. Биоди­намику основных действий в прыжке целесообразно рассмотреть на примере прыжка в длину с разбега, сравнивая ее, где необходимо, с биодинамикой прыжка в высоту.

Разбег

В разбеге решаются две задачи: создание необходимой скорости к моменту прихода на место отталкивания и создание оптимальных условий для опорного взаимодействия. В прыжках в длину добиваются наибольшей скорости разбега (сильнейшие мужчины свыше 10 м/с) примерно за 40—50 м, за 19—24 беговых шага. Перед постановкой толчковбй ноги на место отталкивания последние шаги изменяются: несколько шагов удлиняются, что снижает положение ОЦМ, а по­следний шаг делается быстрее и обычно короче. В прыжках в высоту не нужна большая горизонтальная скорость, разбег короче (7—9 бе­говых шагов) при меньшей скорости. На место отталкивания нога ставится стопорящим движением. Это уменьшает горизонтальную скорость и увеличивает вертикальную, позволяет занять исходное положение при оптимально согнутой толчковой ноге, достаточно растянутых и напряженных ее мышцах, целесообразном расположении ОЦМ и необходимой скорости завершения разбега.

Отталкивание

Отталкивание от опоры в прыжках совершается за счет выпрям­ления толчковой нога, маховых движений рук и туловища. Задача отталкивания — обеспечить максимальную величину вектора начальной скорости ОЦМ и оптимальное ее направление. После отталкивания, в полете, тело спортсмена всегда совершает движения вокруг осей. Поэтому в задачи отталкивания входит также и начало управления этими движениями,.

С момента постановки ноги на опору начинается амортизация.— подседание на толчковой ноге. Мышцы-антагонисты растягиваются и напрягаются, углы в суставах становятся близкими к рациональным для начала отталкивания. ОЦМ тела приходит в исходное положение для начала ускорения отталкивания (удлинение пути ускорения ОЦМ).

Пока происходит амортизация (сги­бание ноги в коленном суставе) и место опоры находится еще впереди ОЦМ, спортсмен, активно разгибая толчковую ногу в тазобедренном су­ставе, уже активно помогает продви­жению тела вперед (активный перекат).

В течение амортизации горизон­тальная скорость ОЦМ снижается, во время отталкивания создается верти­кальная скорость ОЦМ. К моменту отрыва ноги от опоры обеспечивает­ся необходимый угол вылета ОЦМ (табл. 9).

Выпрямление толчковой ноги и маховые движения, создавая ускоре­ния звеньев тела вверх и вперед, вызывают их силы инерции, направ­ленные вниз и назад. Последние вместе с силой тяжести обусловли­вают динамический вес — силу дейст­вия на опору и вызывают соответ­ствующую реакцию, опоры. На вектор-динамограмме силы действия на опору (рис. 88) видно, что отталкивание вперед происходит только в последние сотые доли секунды; основные усилия прыгуна направлены на отталкивание вверх, чтобы получить необходимый для длинного прыжка больший угол вылета ОЦМ.

В прыжках в высоту по сравнению с прыжками в длину усилия направлены на обеспечение наибольшей вертикальной скорости, сто­порящее движение более значительно (более острый угол постановки ноги), задачи уменьшения потерь горизонтальной скорости нет.

Полет

В полете траектория ОЦМ предопределена величиной и направ­лением вектора начальной скорости ОЦМ (углом вылета). Движения представляют собой движения звеньев вокруг осей, проходящих через ОЦМ. Задача сводится к возможно более дальнему приземлению, удерживая стопы как можно выше. Кроме того, существенно важно продвижение тела вперед после приземления. Спортсмены стремятся к моменту приземления поднять выше вытянутые вперед ноги и отвести руки назад: это обусловливает возможность после приземления рывком рук вперед с последующим разгибанием продвинуться вперед от места приземления.