Тема № 4 (1 лекция) Двигательный аппарат человека, соединение звеньев и степени свободы. Лекция № 7.

 Двигательный аппарат человека - это самодвижущийся механизм, состоящий из 600 мышц, 200 костей и нескольких сотен сухожилий. Он состоит из звеньев, их около 70.

Для удобства исследования двигательного аппарата человека соз­даются всевозможные модели (биомеханические системы) - упрощенные копии тела человека, на которых можно изучать закономерности движе­ний.

Например:

 

Результат тяги мышц (М): а — при верхней опоре; б — при ниж­ней опоре; в — без опоры, г — при фиксации антагонистами (А) (по В. Э. На­горному)

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

Биокинематическая пара - это подвижное (кинематическое) соеди­нение двух костных звеньев.

Биокинематическая цепь - это последовательное (или разветвлен­ное) соединение ряда биокинематических пар. В незамкнутых цепях име­ется последнее ("свободное") звено, входящее лишь в одну пару; в замк­нутых цепях свободного конечного звена нет, каждое звено входит в две пары.

В незамкнутой цепи возможны изолированные движения в каждом отдельно взятом суставе.

В замкнутой цепи изолированные движения в одном суставе невоз­можны.

сво боды движения. (Такое соединение к суставам не отно­сится).

 

Шесть  степеней  свободы  неза­крепленного   тела: три поступательных движения    вдоль    основных осей  и три вращательных   движения   вокруг   основ­ных осей

 

 

Степени свободы движений тела при закреплении его точек: а - закрепленных точек нет (шесть степеней); б - закреплена одна точка (три степени); в - закреплены две точки (одна степень); г — закреплены три точки (тело неподвижно)

 

 

Пять степеней свободы те­ла,   соприкасающегося   одной   точкой с другим телом

 Неконгруэнтность - несхожесть соприкасаемых поверхностей, что дает определенные возможности степеней свободы.

7 степеней свободы имеет кисть по отношению к плечу (пример подвижности конечного или дальнего звена от исходного, т.е. сумма всех степеней свободы, которые лежат на пути к искомому).

1. ГЕОМЕТРИЯ МАСС ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА

Биомеханические звенья представляют собой своеобразные рычаги и маятники.

Костные рычаги. Они служат для передачи движения и работы на расстояние.

 

Каждый рычаг имеет следующие элементы:

а) точку опоры (о);

б) точки приложения силы (Р);

в) плечи рычага (1) - расстояние от точки опоры до точек приложе­ния силы.

Для равновесия, либо для равномерного вращательного движения звена, как рычага, необходимо, чтобы противоположно направленные моменты сил относительно оси рычага были равны.

Замечено, что при наиболее экономичном сочетании частоты и длины шагов или гребков человек демонстрирует существенно повышен­ную физическую работоспособность.

В биомеханике различают центры масс отдельных звеньев тела (на­пример, голени или предплечья) и центр масс всего тела.

Например: момент инерции тела зависит от позы тела и оси враще­ния. Изменением позы можно сильно изменить инерции (группировка при выполнении сальто уменьшает момент инерции по сравнению с пря­мым положением тела примерно в три раза).

2. СОСТАВНЫЕ ДВИЖЕНИЯ В БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ

Составные движения образуются из нескольких составляющих движений звеньев в сочлененияхбиокинематической цепи. Например, движение кисти при броске мяча может быть результатом движений ног и туловища, а также движений в суставах руки.

В биокинематических цепях обычно движется много звеньев; одни "несут" на себе движение других (несущие и несомые). Несущее движе­ние (например, мах бедром при выносе ноги в беге) изменяет несомое (сгибание голени).

Строение сочленений не позволяет совершать движения в суставах по "принципу колеса", поэтому почти все движения имеют возвратно-вращательный характер, т.е. движения напоминает маятник вокруг оси, расположеннойпоперек биокинематической цепи (сгибание - разгибание) или продольно (супинация - пронация).

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, тормозящие, отклоняющие силы и возвращающие силы.

3. СИЛЫ В ДВИЖЕНИЯХ ЧЕЛОВЕКА

Все силы, которые приложены к телу человека, нужно разделить на две группы: внешние и внутренние (относительно его).

Внешние силы, силы полученные извне. Без них его движение из­меняться не может.

Внутренние силы сами по себе не могут изменить его движения. Ими человек управляет движениями звеньев в суставах.

4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОСТЕЙ И СУСТАВОВ

В механические свойства костей, кроме двигательных функций. входят функции защитные и опорные.

При растягивающей продольной силе кость выдерживает напряже­ние в 30 раз больше, чем давление, разрушающее кирпич. Установлено, что прочность кости на растяжение выше, чем у дуба, и почти равна прочности чугуна.

При сжатии прочность костей еще выше. Так, самая массивная кость, большеберцовая, выдерживает вес 27 человек.

При изгибе кости человека также выдерживают значительные на­грузки. Например, 1,2 т. недостаточно, чтобы сломать бедренную кость.

При увеличении допустимых механических нагрузок у спортсменов происходит гипертрофия костей:

- у штангистов - утолщаются кости ног и позвоночника;

- у футболистов - внешняя часть кости плюсни;

- у теннисистов - кости предплечья и т.д.

Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую, как в кап­суле,  хранит  суставная сумка.  Синовиальная   жидкость  обеспечивает уменьшение коэффициента трения в суставе примерно в 20 раз.

5. БИОМЕХАНИКА МЫШЦ

мышца: - мышечное волокно;       - миофибрил (способствующий сокращению мышц);       саркомер: а) активные нити; б) миозиновые нити.

 

Основная функция мышц состоит в преобразовании химической энергии в механическую работу или силу. Главными биомеханическими показателями, характеризующими деятельность мышцы, являются:

а) сила, регистрируемая на ее конце (эту силу называют натяжением или силой тяги мышцы);

б) скорость изменения длины. Механические свойства мышц слож­ны и зависят от механических свойств элементов, образующих мышцу (мышечные волокна, соединительные образования и т.п.), и состояния мышцы (возбуждения, утомления и пр.).

Длину мышцы без нагрузки называют длиной покоя.

Сократимость - это способность мышцы сокращаться при возбуж­дении. В результате сокращения происходит укорочение мышцы, и воз­никает сила тяги.

Упругие свойства мышцы, т.е. ее способность восстанавливать пер­воначальную длину после устранения деформирующей силы.

Если мышцу растягивать повторно, через небольшие интервалы времени, то ее длина увеличится больше, чем при однократном воздейст­вии. Это свойство мышц широко используется в практике при выполне­нии упражнений на гибкость (пружинистые движения, повторные махи и т.п.).

Жесткость - это способность противодействовать прикладываемым силам,

Податливость - величина обратная жесткости.

Прочность - оценивается величиной силы ее растягивания, при ко­торой происходит разрыв мышцы.

Прочность сухожилия в 150 раз больше прочности мышцы. Возни­кает вопрос: почему иногда рвется сухожилие, а мышца остается целой. По-видимому, это может происходить при очень быстрых движениях: мышца успеваетсамортизировать, а сухожилие - нет.

Релаксация - свойство мышцы, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине. Релаксация проявляется, например, при спрыгивании и последующем прыжке вверх, когда человек,  глубоко подседая, делает паузу (чем пауза длительнее, тем сила от­талкивания и высота выпрыгивания меньше).

Проявление активности мышцы определяется изменением ее дли­ны, либо ее напряжения, либо того и другого одновременное.

Исходя из этого, мышцы, прикрепленные сухожилиями к костям, функционируют в двух режимах:изометрическом и анизометрическом.

При изометрическом (удерживающем) режиме длина возбужденной мышцы не изменяется (изо - равный, метр - длина /греческий/). Напри­мер, в режиме изометрического сокращения работают мышцы человека, который подтянулся и удерживает свое тело в этом положении.

При анизометрическом режиме длина мышцы укорачивается или удлиняется. В анизометрическом режиме функционируют мышцы бегуна, пловца, велосипедиста и т.д.

У анизометрического режима две разновидности. В преодолеваю­щем режиме мышца укорачивается в результате сокращения. А в усту­пающем режиме мышца растягивается внешней силой. Например, икро­ножная мышца спринтера функционирует в уступающем режиме при взаимодействии ноги с опорой в фазе амортизации, а в преодолевающем режиме - в фазе отталкивания.

Преодолевающая работа, при которой возрастание скорости сокра­щения мышцы вызывает уменьшение силы тяги. А в уступающем режиме наблюдается обратная картина: увеличение скорости растяжение мышцы сопровождается увеличением силы тяги. Это является причиной много­численных травм у спортсменов (например, разрыва ахиллова сухожилия у спринтеров и прыгунов в длину).

Существуют два случая группового взаимодействия мышц: синер­гизм и антагонизм.

 

Мышцы - синергисты перемещают звенья тела в одном направле­нии. Например, в сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плечелучевая мышцы и т.д.             в) групповое взаимодействие мышц.

 

Взаимодействие   мышц   в   неодноосном   суставе:   а — направления тяги мышц; 6 — их составляющие: в — суммарные тяги

 

Мышцы - антагонисты (в противоположность мышцам - синергистам) имеют разнонаправленное действие. Так, если одна из них выпол­няет преодолевающую работу, то другая - уступающую. Существованием мышц - антагонистов обеспечивается:

1) высокая точность двигательных действий;

2) снижение травматизма.

Рабочие тяги мышц (динамическая работа) обуславливают выпол­нение движений, а опорные тяги мышц (статическая работа) создают не­обходимые условия для этого.

Контрольные вопросы

1. Понятие  «двигательный аппарат человека» и его составляющие.

2. По какому принципу двигается человеческое тело?

3. Что такое неконгруэнтность?

4. С чем можно сравнить биомеханические звенья?

5. Понятие жесткости, податливости, прочности.

ТЕМА № 4 (2 лекции)

КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА ДВИЖЕНИЙ ЧЕЛОВЕКА

Лекция № 8.

Кинематика движений человека.

Механика занимается рассмотрением простейшей формы движения материи – механической. Такое движение состоит в изменении взаимного расположения тел или их частей в пространстве с течением времени. При анализе необходимо исходить из ряда основных понятий. Рассмотрим их в отдельности.

Материальной точкой называется тело, размеры и форма которого несущественны в рассматриваемой задаче. Например, при изучении скорости прохождения дистанции марафонцем нет никакой необходимости рассматривать части тела спортсмена в отдельности, поскольку размеры атлета и расстояние, им пройденной, отличаются на четыре порядка величины.

Системой материальных точек или тел (механической системой) называется мысленно выделенная совокупность материальных точек или тел, которые в общем случае взаимодействуют как друг с другом, так и с телами, не включенными в состав этой системы. При определенных условиям биомеханика рассматривает тело спортсмена именно как систему материальных тел.

Классическая механика, т.е. механика, имеющая дело с телами, движущимися с малыми скоростями, в отличие от релятивистской или квантовой механик, рассматривающих движение тел с околосветовыми скоростями или движение элементарных частиц, состоит из трех основных отделов: статики, кинематики и динамики.

В статике исследуются законы сложения сил и условия равновесия твердых, жидких и газообразных тел. В кинематике изучается механическое движение тел вне связи с определяющим его взаимодействием между телами. В динамике рассматривается влияние взаимодействия между телами на их механическое движение.

Существенной характеристикой движения является перемещение точки. В зависимости от размерности пространства оно может одно-, двух- или трехмерным (или объем­ным). Траекторией называется линия, описываемая в пространстве движущейся точкой. Эта линия определяется поведением векторной величины – радиус-вектором – из некоторой точки отсчета.

Движение материальной точки характеризуется ее скоростью. В случае равномерного движения (т.е. когда точка за равные промежутки времени проходит равный путь) скорость определеяется длиной пути, пройденного за все время движения. В общем случае, когда движение неравномерное и меняет свое направление, скорость определяется как векторная величина v, равная первой производной от радиус-вектора r движущейся точки:

.

Скорость направлена по касательной к траектории в сторону движения точки и численно равна первой производной от длины пути по времени:

.

Если точка движется в трехмерном пространстве, описываемом декартовой системой координат, то необходимо рассматривать по отдельности проекции вектора скорости на каждую из осей (x, y, z). В этом случае

.

Быстрота изменения скорости при неравномерном движении характеризуется ускорением a, которое определяется по формуле

.

Вектор ускорения проходит через главную нормаль и касательную к траектории и направ­лен в сторону вогнутости траектории. Для трехмерного движения как и в случае со скоростью необходимо работать с каждой из координат.

Движение точки называется ускоренным, если численное значение ее скорости возрастает с течением времени и ускорение имеет положительное значение. Движение точки называется замедленным, если численное значение ее скорости убывает с течением времени и ускорение имеет отрицательное значение.

Если во время движения тела взаимное расположение материальных точек, составляющих его, не меняется, оно не деформируется (не меняет форму и объем) и называется абсолютно твердым телом. Для такого тела характерны следующие виды движения:

поступательное, когда все точки имеют одинаковые траектории перемещения;

вращательное, когда движение происходит вокруг оси вращения;

сложное, когда движение состоит из двух и более простых движений; например, тело может совершать вращательное движение, а ось вращения может двигаться тем временем поступательно.

Для поступательного движения абсолютно твердого тела справедливы законы, приведенные выше. Вращательное движение разбивается на линейную и угловую составляющие.

Угловой скоростью вращения твердого тела называется вектор w, численно равный первой производной от угла поворота по времени,

.

Направление вектора w совпадает с направлением поступательного движения рукоятки буравчика.

Линейная скорость v произвольной точки вращающегося тела определяется по формуле Эйлера

Применительно к спортивной биомеханике законы кинематики действуют в полном объеме. В этом случае мы, как правило, сталкиваемся со сложным движением, связанным с тем, что тело спортсмена представляет собой сложный механизм. При рассмотрении кинематики встречается и сложное движение в суставах при выполнении того или иного упражнения, и переменное движение при беге, когда спортсмен рассматривается как материальная точка.

Контрольные вопросы

1. Что называется материальной точкой?

2. Что такое «Классическая механика»?

3. Что такое траектория?

4. Что называется угловой скоростью вращения?

5. Какие факторы необходимы для того, чтобы тело называлось «абсолютно твердым»?