Раздел iii. биомеханика

1. Тело человека как биомеханическая система: биозвенья, биопары и биоцепи. Дать определение, привести примеры.

Биомеханика изучает в теле человека, в его опорно-двигательном аппарате, те особенности строений и функций, которые имеют значение для совершенства движений. Отвлекаясь от деталей анатомического строения и физиологических механизмов двигательного аппарата, рассматривают упрощенную модель тела человека – биомеханическую систему.

Она обладает основными свойствами существенными для выполнения двигательной функции, но не включает в себя множество частных деталей. Таким образом, биомеханическая система – это упрощенная копия, модель тела человека, на которой можно изучать закономерности движений.

Биозвеном называется часть тела, расположенная между двумя соседними суставами или между суставом и дистальным концом.

Например, биозвеньями являются: предплечье, плечо, голова.

Биомеханическая система тела человека состоит из биокинематических цепей, образованных биокинематическими парами – подвижными (кинематическими) соединениями двух костных звеньев, в котором возможности движений определяются его строением и управляющим воздействием мышц.

Одни возможности движений не ограничены (их характеризуют степени свободы движения), другие полностью ограничены (они определяются степенями свободы). Различают связи:

а) геометрические (постоянные препятствия перемещению в каком-либо направлении, например костное ограничение в суставе);

б) кинематические (ограничение скорости, например мышцей-антагонистом).

Кинематические пары бывают:

а) поступательные – одно звено может перемещаться поступательно по другому (например, боковые движения нижней челюсти);

б) вращательные (например, повороты в наиболее распространенных в теле человека цилиндрических и шаровидных суставах);

в) винтовые с сочетанием поступательного и вращательного движений (например, в голеностопном суставе).

Соединения, допускающие поворот звеньев пары, называют шарнирами.

Итак, биокинематическая цепь – это последовательное либо незамкнутое (разветвленное), либо замкнутое соединение ряда биокинематических пар.Кинематическую цепь, в которой конечное звено свободно, называют незамкнутой, а цепь, в которой нет свободного конечного звена, – замкнутой.

В каждом соединении незамкнутой цепи возможны изолированные движения. Они геометрически независимы от движений в других соединениях. Например, свободные конечности, когда их концевые звенья свободны представляют незамкнутые цепи.

Незамкнутые цепи могут замыкаться, причем часто через опору. В замкнутой или замкнувшейся цепи невозможно одиночное изолированное движение, т.е. движение в одном соединении. Так, сгибая и выпрямляя ноги в выпаде, можно убедиться в том, что движение в любом суставе непременно вызывает движения и в других.

В замкнутых цепях возможностей движений меньше, но управление ими точнее, чем в незамкнутых.

2. Биозвенья как рычаги. Дать определение рычага, плеча силы мышцы. Момента сила тяги мышцы относительно оси соответствующего сустава.

Рычагом называется твердое тело, шарнирно закрепленное на некоторой оси.

Кости как твердые (негибкие) звенья, соединяясь подвижно, образуют основу биокинематических цепей. Приложенные силы действуют на звенья как на рычаги или маятники.

Костные рычаги – звенья тела, подвижно соединенные в суставах под действием приложенных сил, - могут либо сохранять свое положение, либо изменять его. Они служат для передачи движения и работы на расстояние. Все силы, приложенные к звену как рычагу, можно объединить в две группы:

а) силы или их составляющие, лежащие в плоскости оси рычага (они не могут повлиять на движение вокруг этой оси);

б) силы или их составляющие, лежащие в плоскости, перпендикулярной к оси рычага (они могут влиять на движение вокруг оси в двух противоположных направлениях).

Рассматривая действие сил на рычаг, учитывают только силы, направленные по ходу движения (движущие) и против него (тормозящие).

Когда группы сил приложены по обе стороны от оси (точки опоры) рычага, его называют двуплечим или рычагом первого рода, а когда по одну сторону – одноплечим, или рычагом второго рода.

Каждый рычаг имеет следующие элементы:

а) точку опоры (о);

б) точки приложения сил;

в) плечи рычага (расстояния от точки опоры до точек приложения сил – l);

г) плечи сил (расстояние от точки опоры до линий действия сил – опущенные на них перпендикуляры – d).

Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относительно точки опоры (произведение силы на ее плечо).

М = F·d

Момент силы считается положительным, когда сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицательным – при повороте по часовой стрелке (со стороны наблюдателя).

3. Биоцепи как маятники. Момент инерции в биоцепях. Привести примеры расчета момента инерции биозвена или всей биоцепи, относительно соответствующей оси вращения.

Иногда полезно рассматривать движения тела или его звеньев как маятников (например, движение ноги при ходьбе или беге). Звено тела, продолжающее после разгона движение по инерции, имеет сходство с физическим маятником. Маятник в поле силы тяжести, выведенный из равновесия, сначала под действием момента силы тяжести качается вниз, а далее, затрачивая приобретенную кинетическую энергию, поднимается по инерции вверх. Можно рассчитать период качания и ускорение звена. Составные маятники (несколько подвешенных друг к другу маятников) ведут себя намного сложнее. Именно поэтому в каждом шаге моменты мышечных сил нужно приспосабливать к переменным механическим условиям. Чтобы обеспечивать относительное постоянство шагов.

Инертность – это свойство физических тел, проявляющихся в постепенном изменении скорости со временем под действием сил. При выполнении вращательного движения мерой инертности является момент инерции. Эта характеристика (J) равна сумме произведений масс всех материальных точек тела на квадрат расстояния их от данной оси:

J=ƩmR²

На этом основывается очень важное для телесно-двигательных упражнений спортивного характера положение: момент инерции тела больше в том случае, если какая-то его часть наиболее удалена от оси вращения, например, прямая рука отведена точно в сторону. В этом случае, если тело вращается вокруг своей продольной оси, например тур на одной ноге, момент силы вызывает меньшее угловое ускорение в связи с большим инерционным сопротивлением отдаленной от оси тела руки, и вращение замедляется быстрее. Действия группирования или разгруппирования при выполнении, например, кувырков или сальто в группировке, есть пример деформации биомеханической системы тела спортсмена, при которой части тела приближаются или отдаляются от оси вращения. При отдалении момент инерции системы увеличивается – скорость вращения тела замедляется - и наоборот.