Высшее профессиональное образование

БАКАЛАВРИАТ

Г. И. ПОПОВ, А. В. САМСОНОВА

БИОМЕХАНИКА

ДВИГАТЕЛЬНОЙ

ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Рекомендовано

Учебно методическим объединением

по образованию в области физической культуры

в качестве учебника для образовательных учреждений

высшего профессионального образования, обучающихся по направлению «Физическая культура»

2 е издание, стереотипное УДК 796/799(075.8) ББК 28.071я73 П58 Р е ц е н з е н т ы:

зав. лабораторией биомеханики, зав. кафедрой легкой атлетики Адыгейского государственного университета, д р пед. наук, профессор А. М. Доронин;

зав. кафедрой биомеханики Российского государственного университета физической культуры, спорта, молодежи и туризма, д р пед. наук, профессор А. А. Шалманов Попов Г. И.

Биомеханика двигательной деятельности: учеб. для студ.

П учреждений высш. проф. образования / Г. И. Попов, А. В. Сам сонова. — 2 е изд., стер. — М. : Издательский центр «Акаде мия», 2013. — 320 с. — (Сер. Бакалавриат).

ISBN 978 5 7695 Учебник создан в соответствии с Федеральным государственным образо вательным стандартом по направлению подготовки «Физическая культура»

(квалификация «бакалавр»).

Изложены сведения из области классической биомеханики, необходимые для понимания работы двигательного аппарата человека. Рассмотрены сило вые и энергетические аспекты движения тела человека в целом и его отдель ных звеньев. Показана связь между использованием традиционных средств физического воспитания, спортивной тренировки, нетрадиционными био механическими технологиями и возможным двигательным эффектом при выполнении упражнений.

Для студентов учреждений высшего профессионального образования.

УДК 796/799(075.8) ББК 28.071я Оригинал макет данного издания является собственностью Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается © Попов Г. И., Самсонова А. В., © Образовательно издательский центр «Академия», © Оформление. Издательский центр «Академия», ISBN 978 5 7695

ПРЕДИСЛОВИЕ

Движения человека подчиняются всем физическим законам, которые определяют движение любого материального тела на Зем ле. Это — и закон всемирного тяготения, и законы Ньютона, и за коны гидроаэромеханики, колебательных и волновых явлений и т. д. Движения, как правило, очень сложны, поскольку двигатель ный аппарат человека представляет собой многозвенную механи ческую систему, состоящую из более чем 200 костей и нескольких сотен сухожилий. Общее число возможных движений в суставах (так называемых степеней свободы) превосходит 250, число мышц, обслуживающих движения, более 600. Все это необходимо для обеспечения чисто механического перемещения человека во внеш ней среде.

Работа мышц — это биологический процесс, при котором мы шечные волокна должны быть активированы, чтобы они могли совершить механическую работу по перемещению звеньев тела.

Чтобы совершить работу, необходимо затратить энергию. В орга низме человека энергия есть результат биохимических реакций.

С механической точки зрения, человек — это система, обладаю щая внутренним источником энергии биологического происхож дения. Чтобы мышцы сокращались в необходимой последователь ности и с определенными усилиями, а в результате — производи ли требуемый механический эффект движения, ими надо управ лять. Осуществляют управление головной мозг и нервная систе ма, функционирование которых также имеет биологическую при роду. Для запуска управляющих механизмов центральной нервной системы головной мозг используют высшие психические функции, такие как мотивация, осознание, программирование, которые ока зывают непосредственное воздействие на процесс формирования и исполнения нервальных команд.

Связь психического, биологического и механического в деятель ности человека образно определил создатель русской физиологи ческой школы И. М. Сеченов. Он писал: «… все без исключения качества внешних проявлений мозговой деятельности, которые мы характеризуем, например, словами: одушевленность, страстность, насмешка, печаль, радость, суть ни что иное, как результаты боль шего или меньшего укорочения какой нибудь группы мышц — акта, как всем известно, чисто механического… и у музыканта, и у скульптора рука, творящая жизнь, способна делать лишь чисто механические движения, которые, строго говоря, могут быть даже подвергнуты математическому анализу и выражены формулой».

Психика человека качественно отлична от высшей нервной де ятельности животных. Это проявляется и в двигательной деятель ности. Только человек может сознательно задавать цель движению, понимать его смысл, контролировать и совершенствовать, а так же создавать специальные среду и приспособления для повыше ния механического эффекта своих двигательных действий. Лишь человеку доступны высшие символические движения: не только речь, но и рисование, игра на музыкальных инструментах, танец, пантомима и др.

Подавляющее большинство движений человека выполняет ся с определенной целью и относится к числу произвольных.

Такие движения входят в состав двигательных действий, т. е. в совокупность элементарных двигательных актов, направленных на достижение определенной цели. В каждом двигательном акте присутствуют ориентировочная, исполнительная и контрольная части.

Исполнительная часть — это и есть механическое движение. Но оно всегда определяется психической и физиологической деятель ностью мозга, обеспечивающей не только непосредственное уп равление движением, но и ориентировочную и контрольную час ти двигательного действия по системам биологической внутрен ней обратной связи. Отсюда, движение человека — это взаимо действие его внутренних систем с внешним окружением.

Еще Аристотель писал: «Животное, которое движется, осуще ствляет свое изменение положения путем нажатия на то, что на ходится под ним». Р. М. Энока ставил проблему рассмотрения дви жения как результата взаимодействия биологической системы и ее внешнего окружения через функционирование нейромехани ческих систем организма (это то, что можно назвать внутренней, т. е. биологически сложившейся системой управления). И. П. Ра тов и Г. И. Попов расширили этот подход, утверждая, что движе ния человека и их совершенствование следует рассматривать как результат не просто взаимодействия с внешней средой, а взаимо действия, при котором физические свойства внешней среды це ленаправленно изменяются. А это значит, что таким способом можно целенаправленно воздействовать на сам характер движе ния через приспособительные двигательные реакции человека в условиях непрерывного взаимодействия с внешней средой (то, что можно назвать внешним управлением). Следовательно, в управ лении движениями существуют внутренняя и внешние системы управления, согласованное функционирование которых позволяет построить двигательное действие человека. Это является основ ной идеей, заложенной в настоящем учебнике.

Учебник условно делится на две части. В первой излагаются сведения из области классической биомеханики, необходимые для понимания работы двигательного аппарата человека при выпол нении двигательных действий, кинематические, силовые и энер гетические аспекты движения тела человека в целом и его звеньев (гл. 1— 4). Во второй части традиционные подходы биомеханики рассмотрены в контексте более общей биомеханики двигательной деятельности. Дополнительное внимание уделено влиянию выс ших отделов центральной нервной системы человека на реализа цию его двигательных действий. Тем не менее в настоящем учеб нике превалируют биомеханические закономерности формирова ния и совершенствования двигательных действий человека. Так же во второй части излагаются сведения о биомеханических ис следованиях и результаты их практического приложения. Показа на связь между традиционными средствами физического воспи тания и спортивной тренировки, нетрадиционными биомехани ческими технологиями и возможным двигательным эффектом при выполнении упражнений.

Авторы будут благодарны за все отзывы и замечания.

ИСТОРИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БИОМЕХАНИКИ

ДВИГАТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

1.1. Что изучает биомеханика двигательных действий?

Биомеханика двигательных действий изучает свойства и функции опорно двигательного аппарата и двигательные действия человека на основании понятий, принципов и законов классиче ской механики.

Биомеханика — смежная наука. Она возникла на стыке биоло гии — науки о жизни и механики — науки о механическом движе нии материальных тел и происходящих при этом взаимодействи ях между телами.

За время своего развития классическая механика выработала широкий круг понятий, которые в настоящее время используют ся в биомеханике: перемещение, скорость и ускорение тела, сила, импульс силы, работа, мощность, энергия, общий центр тяжести (общий центр масс) и др. Например, под скоростью тела понима ется отношение пути, пройденного телом, ко времени, за которой этот путь пройден. В биомеханике изучают скорости движения звеньев опорно двигательного аппарата человека, а также скорость сокращения мышц. Одним из центральных в механике является понятие силы как количественной меры механического взаимо действия тел. В биомеханике двигательных действий анализиру ются силы, действующие на человека, а также силы, возникающие в его опорно двигательном аппарате, например силы тяги мышц, силы трения в суставах.

Кроме круга понятий в рамках классической механики установ лены принципы (принцип относительности Галилея, принцип д’Аламбера, принцип возможных перемещений) и законы движе ния материальных тел (законы Ньютона, законы сохранения энер гии, количества движения (импульса) и др.).

На основе принципа д’Аламбера и принципа возможных пере мещений задачи динамики могут быть сведены к задачам статики.

В биомеханике на основе законов механики анализируются дви гательные действия человека. Так, например третий закон Нью тона гласит: «Силы, с которыми действуют друг на друга два тела, всегда равны и направлены по одной прямой в противоположные стороны». Этот закон проявляется, например, при ударе по мячу:

рука ударяет по мячу, а сила противодействия со стороны мяча действует на руку.

Закон сохранения количества движения системы гласит:

«Если на систему не действуют никакие внешние силы, то ко личество движения системы остается постоянным (сохраняет ся)». Винтовка и пуля представляют собой одну систему. Перед выстрелом из винтовки сумма количества движения винтовки и пули равна нулю. Давление пороховых газов, сообщая неко торое количество движения пуле, одновременно сообщает вин товке такое же количество движения, направленное в противо положную сторону (это вызывает явление, называемое отдачей).

В результате сумма возникших количеств движения при выст реле будет равна нулю.

Закон сохранения энергии позволяет оценить энергозатраты и энергопотери в мышцах и при перемещениях звеньев в ходе вы полнения двигательных действий.

Существует большое разнообразие двигательных действий че ловека: бытовые, трудовые, оздоровительные (физические упраж нения), спортивные и др. В настоящем учебнике с позиций био механики рассматривается выполнение человеком оздоровитель ных и спортивных двигательных действий.

1.2. Цели и задачи биомеханики двигательных действий Цель биомеханики двигательных действий состоит, с одной стороны, в повышении эффективности двигательных действий человека, а с другой — в предупреждении травм при выполне нии двигательных действий и уменьшении их последствий (табл. 1.1).

Т а б л и ц а 1.1. Цели и задачи биомеханики двигательных действий 1. Повышение эффективности дви 2. Предупреждение травм при вы гательных действий человека полнении двигательных действий 1.1. Разработка биомеханических 2.1. Оценка правильности сущест критериев и оценка двигательных вующей техники и выявление действий спортсмена с точки зре ошибок, которые могут привести ния их эффективности в решении к травмам двигательной задачи 1.2. Разработка новых вариантов 2.2. Разработка снаряжения спорт техники (коньковый ход, прыжки смена (обувь, бинты, боксерские в высоту, выполнение приседа перчатки, хоккейная экипировка со штангой в тяжелой атлетике и т. д.), способствующего преду и пауэрлифтинге) и оценка их преждению и устранению травм эффективности тельных действий и оценка воз можности их выполнения человеком целесообразных тренажеров для занятий физической культурой и спортом тивного снаряжения, повыша ющего эффективность двигатель ных действий 1.3. История биомеханики Термин «биомеханика» одним из первых использовал в 1887 г.

венский врач Мориц Бенедикт (1835 — 1920) в своем труде «ber mathematische Morphologie und Biomechanik». В 1921 г. Алексей Ка питонович Гастев, директор Центрального института труда (ЦИТ), применил это понятие для описания рациональных приемов тру довых движений. Принципы движения живых существ интересо вали человека с давних времен. Однако отсутствие научных мето дов их изучения ограничивало возможности оценки механизмов, лежащих в основе движений. Тем не менее такие ученые, как Ари стотель, Гален, Леонардо да Винчи, заложили основы науки о дви жениях человека и животных.

Аристотель (384 — 322 гг. до н.э.) — выдающийся греческий ученый, мыслитель, описал разные типы походок, пытаясь понять, какие силы действуют на человека при ходьбе. Он может считать ся первым биомехаником, так как написал трактат «De Motu Animalium» («Движения животных»).

Велик вклад в изучение функций организма человека Галена (129—201) — анатома, врача и естествоиспытателя, считающегося классиком античной медицины. Гален был врачом римского им ператора Марка Аврелия и написал более 400 трактатов по меди цине, среди которых есть труд о функциях человеческого тела.

Изучая анатомию и физиологию, Гален широко использовал опы ты на животных. Он установил, что задние корешки спинного мозга являются чувствительными, а передние — двигательными.

Гален опроверг мнение Аристотеля о мозге как о железе, выделя ющей слизь для охлаждения теплоты сердца. Он считал, что мозг является средоточием движения, чувствительности и душевной де ятельности.

В развитии биомеханики особенно велика роль Леонардо да Винчи (1452 —1519) — выдающегося итальянского живописца, скульптора, архитектора, ученого и инженера. Как художник Лео нардо да Винчи большое внимание уделял изучению анатомии, особенно пропорций человеческого тела. Сохранилось огромное количество его рисунков, посвященных исследованию располо жения мышц и внутренних органов (рис. 1.1).

Леонардо да Винчи придавал особое значение точным наукам в изучении функций человека. «Пусть не читает меня в основах моих тот, кто не математик» — писал он. Изучая ходьбу, бег и дру гие движения человека, Леонардо да Винчи высказал мысль о не обходимости использования достижений механики для их иссле дования. Ему принадлежит высказывание: «Наука механика по тому столь благородна и полезна более всех прочих наук, что, как оказывается, все живые существа, имеющие способность к дви жению, действуют по ее законам».

В анатомических исследованиях, обобщая результаты вскры тий, Леонардо да Винчи рассматривал организм как образец «при родной механики». Он указывал: «Сделай так, чтобы книга об эле ментах механики с ее практикой предшествовала бы демонстра ции движения и силы человека и других животных, и посредством таковых ты сможешь доказать каждое твое утверждение».

Леонардо да Винчи впервые описал функции некоторых кос тей и нервов, высказал новаторские предположения об антагониз ме мышц. В опытах с удалением различных органов у животных он стремился ввести экспериментальный метод в биологию. Как ученый и инженер Леонардо да Винчи обогатил проницательны ми наблюдениями почти все области науки того времени, рассмат ривая свои заметки и рисунки как подготовительные наброски к гигантской энциклопедии человеческих знаний. Скептически от носясь к популярному в его эпоху идеалу ученого эрудита, Лео нардо да Винчи был наиболее ярким представителем нового, ос нованного на эксперименте естествознания.

Рис. 1.1. Анатомические зарисовки мышц плеча. Леонардо да Винчи. Ко ролевская библиотека. Виндзорский замок. Виндзор (Великобритания) Большой вклад в развитие биомеханики как науки внес италь янский астроном, математик и врач Джованни Альфонсо Борел ли (1608 —1679), который так же, как и Леонардо да Винчи, рас сматривал мышцы и опорно двигательный аппарат животных и человека с позиций механики.

Джованни Борелли учил, что сокращение мышц зависит от набухания клеток вследствие проникновения туда крови и ду хов; последние идут по нервам произвольно или непроизволь но. Как только духи встретятся с кровью, происходит взрыв и появляется сокращение. В своей книге «De Motu Animalium»

(«Движения животных»), вышедшей в 1680 г. после смерти ав тора, Дж.Борелли подвел итог накопившегося опыта в изуче нии движений, развил идеи Леонардо да Винчи и дал существен ный толчок исследованиям механики движений живых существ.

Он рассмотрел с точки зрения механики условия равновесия человеческого тела, дал определение общего центра тяжести на основе экспериментальных данных. Кроме того, ученый рас смотрел работу веретенообразных и перистых мышц; привел первые модели мышц, а также описал движения живых существ:

ходьбу, бег, плавание, полет.

Следует отметить, что математический аппарат того времени более всего был приспособлен для изучения статических положе ний человека, так как знаменитая книга Исаака Ньютона «Мате матические начала натуральной философии», в которой заклады вались основы дифференциального и интегрального исчислений, была опубликована в 1686 г., через семь лет после смерти Дж. Бо релли.

Последующее развитие биомеханики как науки связано с тру дами немецких ученых — братьев Эдуарда Фридриха (1806 —1871) и Вильгельма Эдуарда Веберов (1804 —1891). Эдуард Вебер был анатомом, а Вильгельм Вебер — физиком (в его честь названа еди ница магнитного потока — Вебер). Вильгельм Вебер активно со трудничал с Карлом Фридрихом Гауссом.

В 1836 г. братья Вебер издали книгу «Mechanik der menschlichen Gehwerkzeuge» («Механика ходьбы человека»). В этой книге они привели данные о кинематических характеристиках ходьбы чело века. Однако несовершенство используемых методик не позволи ло провести анализ быстротекущих двигательных действий. В био механике мышц до сих пор справедлив принцип, впервые сфор мулированный Эдуардом Вебером: «Сила мышц, при прочих рав ных условиях, пропорциональна их поперечному сечению».

Проникновение в биомеханику подлинно научных методов ис следования связано с французским изобретателем Жаком Луи Дагером (1787 —1851). В 1839 г. он разработал первый практиче ский способ фотографии.

Дальнейший шаг по внедрению научных методов исследования в биомеханику был сделан французским физиологом Этьеном Жюлем Маре (1830 —1904). После получения среднего образова ния Э. Ж. Маре учился вначале в Политехнической школе, а с 1850 г., изучал медицину в Париже. Э. Ж. Маре разработал метод пневмографии — записи опорных реакций с помощью передачи давления воздуха. В ботинок человека встраивались воздушные ка меры. Во время опоры давление воздуха в камере повышалось, оно передавалось по трубочкам на прибор, который испытуемый дер жал в руке. Это позволило определить длительность периодов опо ры и полета при ходьбе и беге. Более серьезным изобретением Э. Ж. Маре является силовая платформа, позволяющая регистри ровать величину реакции опоры при отталкивании.

В 1872 г. американского фотографа Эдварда Майбриджа (1830 —1904) попросили найти способ установить, отрывает ли лошадь, идущая галопом, в какой то момент от земли все четыре копыта сразу. Спустя шесть лет, после многочисленных опытов, ему удалось это доказать с помощью 12 фотокамер, размещенных вдоль финишной прямой калифорнийского ипподрома. Проно сясь мимо, лошадь разрывала нити, натянутые поперек дорожки, что приводило в действие электромагниты, которые в свою оче редь управляли затворами объективов. Когда полученные снимки просматривали через проектор, казалось, что лошадь движется.

Впоследствии Е. Майбридж получил моментальные снимки по следовательных фаз движения не только животных, но и человека.

Э. Ж. Маре усовершенствовал этот метод, предложив фотогра фическое ружье (1882), которое позволяло делать один за другим 12 снимков. С помощью ружья он снимал и изучал полет птиц и насекомых, ходьбу, бег, прыжки человека.

В 1880 г. Э. Ж. Маре изобрел хронофотографию — фотографи рование всего движения на одну пластинку. Для этого перед фо тоаппаратом устанавливался вращающийся диск с прорезями.

Когда прорезь открывала доступ светового потока к объективу, на пластине фиксировалось положение человека. В результате съем ки на одной пластине получался ряд положений человека в после довательные моменты времени. Первые хронофотографии были очень плохого качества. В дальнейшем Э. Ж. Маре ограничил чис ло заснимаемых точек движущегося объекта. «Он одел человека с головы до ног в черное трико и на голову набросил капюшон. Из всей поверхности тела он оставил светлыми только узенькие по лоски вдоль осей звеньев конечностей да голову отметил светлой точкой. Полоски были сделаны из серебристой галунной тесьмы.

Теперь на его фотографиях стали появляться палочковые схемы человечки из спичек. Благодаря узости этих спичек он мог засни мать фазы движения гораздо более часто, не боясь, что одна фигу Рис. 1.2. Испытуемый, подготовленный для проведения эксперимента, и хронофотография бега по Э. Ж. Маре ра наложится на другую (Н. А. Бернштейн, 1990) (рис. 1.2). Следу ющий шаг был связан с заменой светящихся полосок яркими мар керами, которые крепились на центры суставов. Хронофотогра фия уступила место циклографии.

Помимо описанного способа съемки при дневном свете Э. Ж. Маре изобрел способ фотографирования при значительном затемнении. Движущийся объект освещался вспышками магния через определенные промежутки времени. В результате этот спо соб фотографирования стал основой нового метода — стробофо тографии. Наиболее известными трудами Э. Ж. Маре являются «La machine animale. Locomotion terrestre et aerienne» («Механика жи вотного организма»), изданный в 1873 г., и «Le movement», появив шийся в 1894 г.

В последующие годы усилия многих изобретателей и инжене ров: Луи Лепренса, Джорджа Истмена, Томаса Эдисона, братьев Луи и Огюста Люмьеров привели к созданию киносъемки — мето да регистрации неподвижных и движущихся объектов на движу щуюся кинопленку.

В конце XIX в. два немецких ученых Кристиан Вильгельм Бра уне (1831—1892) и его студент Отто Фишер (1861—1917) внесли свой вклад в развитие методики биомеханических исследований.

К. В. Брауне был анатомом и преподавателем топографической анатомии в университете Лейпцига. В 1872 г. он издал топографи ческий атлас анатомии человека («Topographisch anatomischer, nach Durchschnitten gefrornen Cadavern») — прекрасно иллюстрирован ное издание поперечных сечений органов человека. К. В. Брауне и О. Фишер определили положение центра тяжести тела человека в трех плоскостях: фронтальной, сагиттальной и трансверсальной.

Кроме того, они вычислили положение центров тяжести и массы сегментов тела человека. Это позволило при исследовании ходьбы человека получить не только очень точную пространственную ки нематическую картину движения, но ввести в экспериментальную биомеханику еще и динамику — исследование действующих уси лий («Der Gang des Menschen», 1904).

Значительный след в развитии биомеханики двигательных дей ствий оставили отечественные ученые: П. Ф. Лесгафт, И. М. Сече нов, А. А. Ухтомский, Н. А. Бернштейн.

Петр Францевич Лесгафт (1837 —1909) — известный анатом и педагог, в 1861 г. закончил Медико хирургическую академию в Санкт Петербурге, после чего работал в Казанском и Санкт Пе тербургском университетах в качестве профессора анатомии.

В своем труде «Основы теоретической анатомии» (1892) П. Ф. Лес гафт рассмотрел ряд проблем, смежных с биомеханикой: механи ческие свойства биологических тканей; особенности строения и соединения костей в зависимости от действующих на них сил; осо бенности функционирования мышц, имеющих различный ход мы шечных волокон; морфометрические характеристики мышц (дли на волокна, площадь поверхности опоры, расстояние от места при крепления мышцы до оси вращения в зависимости от противодей ствия внешним силам и функции в организме). На основе анализа морфометрических характеристик мышц П. Ф. Лесгафт предложил новую классификацию скелетных мышц (мышцы сильные и мыш цы ловкие).

Одним из первых П. Ф. Лесгафт осознал недостаточность при менения одного метода в исследовании человека и его двигатель ных действий. Он указывал: «Описательный анатом знает только мертвый материал. Механику недостаточно известен ни живой, ни мертвый организм, чтобы правильно уяснить существующие при этом отношения и структуры. Физиолог будет исследовать функ цию живого организма только путем экспериментов. Любое од ностороннее исследование, проведенное только с помощью одного метода, недостаточно объективно, чтобы исчерпать гармонические проявления жизни». В 1874 г. П. Ф. Лесгафт опубликовал работу «Основы естественной гимнастики», заложив тем самым основы новой учебной дисциплины — «Теории телесных движений», ко торая стала прообразом учебной и научной дисциплины «Биоме ханика физических упражнений».

В 1896 г. П. Ф. Лесгафт организовал Курсы воспитательниц и руководительниц физического воспитания, которые впослед ствии были реорганизованы в Государственный институт физи ческого образования его имени. Позже институт был награжден орденами Ленина и Красного знамени и стал называться Госу дарственным дважды орденоносным Институтом физической культуры (ГДОИФК). В 1939 г. под редакцией ученицы П. Ф. Лес гафта Е. А. Котиковой была издана первая в СССР книга по био механике физических упражнений. В 1963 г. на базе ГДОИФК имени П. Ф. Лесгафта была создана первая кафедра биомеханики.

Иван Михайлович Сеченов (1829 —1905) — известный русский физиолог. Первоначальное образование он получил в Главном инженерном училище. После этого в 1856 г. И. В. Сеченов окон чил медицинский факультет Московского университета и долго стажировался за границей у известных физиологов: Э. Дюбуа Рей мона, Г. Гельмгольца и К. Людвига. В 1863 г., работая в должности адъюнкт профессора Санкт Петербургской медико хирургиче ской академии, ученый издал свой самый известный труд «Реф лексы головного мозга». В этом труде он заложил физиологичес кие основы психических процессов и показал рефлекторную при роду поведенческих реакций человека.

Техническое и медицинское образование позволили И. М. Се ченову кроме исследований по физиологии внести солидный вклад в биомеханику двигательных действий. Он указывал, что «…сложные мышечные движения действительно мало доступны анализу со стороны состава и действующих в них мышц; тем бо лее, что во многих случаях состав этот и условия действия мышц меняются во время самого движения. Но ведь в рабочем мышеч ном движении важна не эта сторона, а направление движения, его сила (т. е. производимое движением давление или тяга), про тяжение (длина пути) и скорость — стороны, допускающие опыт ное измерение».

В 1901 г. вышла в свет книга «Очерк рабочих движений чело века», в которой И. М. Сеченов подробно рассмотрел работу опорно двигательного аппарата (ОДА) человека как двигатель ной машины (формы суставов, плечи сил тяги мышц), механику мышечного сокращения (факторы, определяющие силу мышцы и быстроту мышечных сокращений), биомеханические свойства мышцы (в частности, упругие свойства); функции верхней и ниж ней конечностей. Кроме этого, детальному биомеханическому анализу были подвергнуты некоторые рабочие движения (враще ние рукою колеса), физические упражнения (сгибание рук в висе, присед, наклоны туловища, присед и вставание на одной ноге «пистолет»), а также ходьба человека (рис. 1.3). И. М. Сеченов одним из первых проанализировал влияние дыхания на двига тельные действия.

Значительную роль в развитии отечественной биомеханики сыграла книга профессора Ленинградского университета, акаде мика Алексея Алексеевича Ухтомского (1875 —1942) «Физиоло гия двигательного аппарата», изданная в 1927 г. В предисловии к этой книге ученый писал: «Критика древнейших понятий меха ники, вроде «силы», «давления», «сопротивления» и т. п., дала из вестное право утверждать, что человек строил их из безотчетных аналогий с тем, что он наблюдал при работе своей мускулатуры.

Если это так, то непосредственный опыт над своей мускулатурой Рис. 1.3. Биомеханический анализ выполнения физических упражнений (И. М. Сеченов, 1901):

а, б — подтягивания в висе на перекладине; в — присед на одной ноге «писто лет»

был родоначальником всех наших представлений о движении и его законах… Построив вычислительную науку о движении и механиз мах, человек возвращается к собственной мускулатуре с новой за дачей — переработать свои сведения о ней по образцу учения о внешних механизмах». А. А. Ухтомский подробно рассмотрел во просы, посвященные механическим свойствам мышц, энергети ки мышечной деятельности, а также зависимость силы мышцы от анатомических и физиологических факторов.

В отдельный раздел книги были вынесены вопросы биомеха ники ОДА. Звенья ОДА человека рассматривались с позиций тео рии машин и механизмов — как рычаги первого, второго и третье го рода. Соединение звеньев ОДА человека представлялись в виде кинематических пар и цепей. Была дана классификация суставов по степеням свободы и формула расчета степеней свободы.

Одним из первых А. А. Ухтомский высказал мысль о том, что управление движениями есть устранение избыточных степеней свободы. Он писал: «Для каждого отдельного момента движения нашего тела более или менее правильно действующие механизмы достигаются настолько, насколько устраняются все свободы пе ремещения, за исключением одной, а это достигается распределе нием тонуса, тетанического сокращения и расслабления (тормо жения) в мускулатуре». Пытаясь обозначить предмет биомехани ки как науки, ученый указывал: «Биомеханика изучает ту же си стему нервно мышечных приборов как рабочую машину, т. е. за дается вопросом, каким образом полученная механическая энер гия движения и напряжения может приобрести определенное ра бочее применение».

Николай Александрович Бернштейн (1896 —1966) — выда ющийся русский физиолог и биомеханик, много времени посвя тил изучению биомеханики спортивных и трудовых движений.

Он окончил медицинский факультет, а затем прослушал курс ма тематического факультета Московского университета. В 1922 г.

Н. А. Бернштейн возглавил лабораторию биомеханики в ЦИТе. Уже в 1926 г. 30 летний ученый опубликовал одну из первых книг, по священных биомеханическому анализу строения ОДА и двигатель ных действий человека, — «Общая биомеханика». В этой книге он обобщил сведения из механики, анатомии и физиологии двига тельного аппарата.

Параллельно с работой над книгой Н. А. Бернштейн с сотруд никами совершенствовал экспериментальные методики исследо вания двигательных действий человека. В результате была разра ботана методика кимоциклографии, которая представляла собой циклографическую съемку движения человека на равномерно пе ремещающуюся пленку. Благодаря новым методам Н. А. Берн штейн получил огромный фактический материал по кинематике и динамике ходьбы, бега и прыжка. Полученные результаты уче ный обобщил в книге «Исследования по биодинамике ходьбы, бега и прыжка» (1940). Понимая недостаточность информации, полу чаемой от циклографической методики, Н. А. Бернштейн прида вал большое значение электромиографии — методике регистра ции биопотенциалов мышц. Он указывал: «Весь длительный опыт нашей экспериментальной работы над движениями человека по казал, что случаи, когда при данном движении фактически напря гаются совсем другие мышцы, в другое время и другим образом, чем это ожидалось бы по элементарному анатомическому анали зу, гораздо более часты, чем те, когда поведение мышц до конца понятно и классично».

Всемирную славу Н. А. Бернштейну принес труд «О построении движений» (1947). В этом исследовании ученый по новому рас смотрел вопросы управления двигательными действиями, форми рования двигательных навыков, а также онтогенез моторики. Не задолго до смерти в 1966 г. Н. А. Бернштейн опубликовал книгу «Очерки по физиологии движений и физиологии активности», в которой обобщил экспериментальные данные за 30 летний пе риод своей деятельности. В 1991 г. в издательстве «Физкультура и спорт» вышла книга «О ловкости и ее развитии», которая не была издана при жизни Н. А. Бернштейна.

Большой вклад в изучение механизмов мышечного сокраще ния внес английский физиолог Арчибалд Вивиен Хилл (1886 — 1977). Он получил образование в Кембридже по двум специально стям: математика и естественные науки (химия, физика и физио логия). В 1922 г. ученый получил Нобелевскую премию по физио логии и медицине «За открытия в области теплообразования в мышце». Занимаясь механикой мышечного сокращения, А. В. Хилл предложил аналитическое описание зависимости между скоростью укорачивающейся мышцы и значениями внешней нагрузки (ха рактеристическое уравнение Хилла). При исследовании механи ки мышечного сокращения А. В. Хилл регистрировал кинемати ческие характеристики спортсменов при беге с низкого старта (рис. 1.4). С этой целью он использовал принцип электромагнит ной индукции. На бегуне закрепляли магнит, а вдоль беговой до рожки устанавливали электромагнитные катушки. Когда спорт смен пробегал возле катушек, в них возникал электрический ток, что фиксировали приборы. Так как расстояние между катушками было известно, кроме времени вычисляли также скорость и уско рение бегуна.

С 1960 х гг. в биомеханические исследования в области физи ческой культуры и спорта было вовлечено большое количество исследователей. В 1967 г. в Цюрихе (Швейцария) состоялся пер вый Международный семинар по биомеханике. После этого каж дые два года стали организовываться международные конферен ции по биомеханике. В 1973 г. начал издаваться журнал по биоме ханике (Journal of Biomechanics). В том же году было основано Международное общество биомехаников — International Society of Biomechanics (ISB), а в 1980 г. — Международное общество спортивных биомехаников (International Society of Biomechanics in Sport). В 1985 г. стал издаваться международный журнал «Био механика спорта» (Journal of Sports Biomechanics, с 1992 г. — Рис. 1.4. Измерение посредством электромагнитной индукции ускоре ния бегуна при беге с низкого старта (А. Hill, 1927) Рис. 1.5. Программно аппаратный комплекс фирмы Qualisys Journal of Applied Biomechanics), а с 1997 г. — «Российский жур нал биомеханики».

Конец ХХ — начало XXI в. ознаменовались внедрением в био механику информационных технологий. При этом возросли воз можности биомеханики как учебной и научной дисциплины.

В настоящее время разработаны электронные учебники и ком пьютерные программы, применяемые при изучении дисципли ны «Биомеханика» в институтах физической культуры. Широкое распространение получили программно аппаратные комплексы (ПАК), позволяющие в режиме реального времени обрабатывать данные, поступающие в компьютер. Примером одного из таких комплексов является система регистрации движений фирмы Qualisys (рис. 1.5). При выполнении двигательного действия в компьютер одновременно поступает информация с видеокамер, динамометрической платформы, а также от электромиографи ческой аппаратуры. Эту информацию обрабатывает компьютер, после чего результаты представляются в табличном и графиче ском видах.

В настоящее время в биомеханике активно развивается компьютерное моделирование, позволяющее создавать новые варианты движения на основе знаний законов биомеханики, биомеханической структуры двигательных действий и имею щихся данных о биомеханических характеристиках спортсме нов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Кто считается первым биомехаником и почему?

2. Охарактеризуйте вклад Галена и Леонардо да Винчи в биомеханику.

3. Какой вклад в биомеханику внес Джованни Борелли? Как называлась книга о движениях животных?

4. Опишите историю совершенствования оптического метода регистра ции движений — одного из основных методов, применяемых в био механике.

5. Какие методы исследования, используемые в биомеханике, разрабо тал Э. Ж. Маре?

6. Какой вклад в развитие биомеханики внесли русские ученые П. Ф. Лес гафт, И. М. Сеченов и А. А. Ухтомский?

7. Охарактеризуйте вклад в биомеханику Н. А. Бернштейна.

8. Чем знаменуется современный этап развития биомеханики как учеб ной и научной дисциплины?