Спортивная биомеханика

Биомеханика является одной из самых старых ветвей биологии, а биомеханика спорта считается относительно молодой наукой. Возникновению науки биомеханики способствовали определенные предпосылки - накопленные знания в области философии, теоретической и прикладной механики, анатомии и физиологии, а также простые наблюдения. В зависимости от преобладающей науки в изучении движения, в биомеханике сложились несколько направлений: механическое, физиологическое, функционально-анатомическое, биомеханика физических упражнений.

Механическое направление начинается с Древней Греции и Аристотеля (384-322 гг. до н. э.), который первым ввел термин «механика», описал рычаг, пытался путем рассуждений найти причины движений, а также описал действие мышц и провел их геометрический анализ. В своих естественно-научных трудах «Части движения и перемещение животных», Аристотель заложил основу того, что в дальнейшем, спустя 2300 лет, назвали наукой биомеханикой. Он показал, что движение конечностей и частей тела у человека и животных при поднятии тяжестей, ходьбе, беге, плавании можно объяснить принципами механики. Его учение основано на твердых биомеханических принципах, в своей работе он описал принципы мускульного сокращения и впервые представил математические схемы движения.

Законы гидродинамики, которыми пользуются и в наше время, сформулированы Архимедом (287-212 гг. до н. э.). Первой серьезной работой в области биомеханики движений человека считают опыты римского врача школы гладиаторов Клавдия Галена (129 или 131 - ок. 200 или 217 гг. н. э.). Он первым экспериментально установил связь работы мышц человека с движениями в суставах, обратил внимание на группы мышц, работающих в одном и противоположных направлениях, так называемые мышцы синергисты и антагонисты, ввел понятие о мышечном тонусе.

После долгого застоя во всех науках в мрачный период Средневековья выдающемуся деятелю эпохи Возрождения, художнику, механику, математику, инженеру и естествоиспытателю Леонардо да Винчи (1452-1519) первому пришла мысль о применении законов механики к исследованию движений живых существ. В то время и еще очень долго и после смерти Леонардо да Винчи наука о движениях испытывала большое затруднение оттого, что не имела никакого точного метода изучения движений. Простые наблюдения слишком недостоверны, особенно когда дело касается быстрых и разнообразных движений; зарисовки никогда не застрахованы от привнесения в них плода фантазии рисовальщика.

К проблемам движения живых организмов обращались и основоположники классической механики Галилео Галилей (1564-1642), Рене Декарт (1596-1650) и Исаак Ньютон (1643-1726). Так, Р. Декарт создал основу рефлекторной теории, показав, что причиной движений может быть конкретный фактор внешней среды, воздействующий на органы чувств. Этим объяснялось происхождение непроизвольных движений. В трактате И. Ньютона «Математические начала натуральной философии» (1686) сформулированы основные законы динамики. Им также отчетливо был поставлен вопрос о соотношении волевого и механического в движениях живых существ.

Основателем науки биомеханики по праву считается ученик Г. Галилея, итальянский врач, математик и физик Джованни Альфонсо Борели (1608-1679). Он впервые использовал биомеханическую модель для объяснения движения в биомеханической системе. Также он описал проведенные исследования по анализу органов движения животных и выделил основные способы взаимодействия с опорой: отталкивания от нее (ходьба, бег), отталкивания от жидкости или воздуха (плавание и полет), способ подтягивания (лазание). Его дальнейшие исследования были направлены на изучение статических положений тела человека; подробно рассмотрены с точки зрения механики условия равновесия многозвенной системы, которыми и являются животные и человек. Д. А. Борелли проведены первые эксперименты по определению общего центра тяжести тела человека. И хотя в его экспериментах впоследствии были обнаружены ошибки, направление для исследований было открыто.

Математик и механик Иоганн Бернулли (1667-1748) начал свою научную и творческую деятельность с медицинской работы «Со-искательная физико-анатомическая диссертация о движении мускулов» (1694). Он предложил модель мышцы в виде совокупности отдельных волокон и исследовал форму мышц под воздействием различных нагрузок. До сих пор в биомеханике используется принцип Бернулли, согласно которому величина мышечного сокращения пропорциональна длине входящих в мышцу волокон.

Последующие попытки исследования движений человека с позиций механики в основном были связаны с применением понятий и закономерностей движения так называемых несвободных систем и присущих им связей. Общие аналитические методы решения таких задач впоследствии были разработаны швейцарским, немецким и российским математиком и механиком Леонардом Эйлером (1707-1783) и опубликованы в трактате «Механика, или Наука о движении, в аналитическом изложении» (1736).

Следующий знаменательный этап в развитии биомеханики физических упражнений связан с именами братьев Эрнеста Генриха (1795-1878) и Вильгельма Эдуарда (1804-1891) Веберов. Эрнест был психофизиологом и анатомом, а Вильгельм - физиком. Они провели классические опыты по изучению ходьбы человека с использованием всех доступных в то время возможностей. Кроме визуального наблюдения, они применяли экспериментальные способы измерения: горизонтальные линейки, катетометры - прибор для измерения вертикальных расстояний, часы с терциями (1/60 сек.). Ими определены наклон и вертикальные перемещения туловища, скорость ходьбы, длина и частота шагов, уменьшение длительности двойной опоры с повышением скорости ходьбы. Свои исследования они опубликовали в работе «Механика ходьбы человека» (1836). Но их предположение, что ходьба совершается по принципу качения маятника, в дальнейшем не подтвердилось.

Братья Вебер в своих исследованиях не могли фиксировать форму движения, но с изобретением фотографии этот пробел был восполнен. Изобретение фотографии на первых порах мало помогло в изучении движений, так как первые фотографические пластинки не допускали моментальных снимков и позволяли снимать только неподвижные объекты. А возможность запечатлевать на ходу отдельные мгновения быстрых движений возникла только с появлением моментальной фотографии.

Позднее Этьен-Жюль Марей (1830-1904), врач Жуанвильской военной школы, французский физиолог, изобретатель и фотограф впервые применил для изучения движений человека новые методы регистрации движений - кинофотосъемку. Также им впервые был применен метод нанесения маркеров на тело человека и использование цикла фотографий, снятых несколькими камерами с разных точек. Впоследствии применявшиеся Мареем методы, позволившие ему определить временные отношения периодов опоры и маха при беге и ходьбе, а также относительную интенсивность толчков, были названы пневматографией, хронофотографией и циклосъемкой. Идея упрощения движений, предложенная Мареем, породила много новых исследований.

В конце XIX в. немецкие ученые Вильгельм Брауне и Отто Фишер разработали совершенную методику регистрации движений, детально изучили динамическую сторону перемещений конечностей и общего центра тяжести (ОЦТ) человека при нормальной ходьбе. Также они опытным путем (на замороженных трупах) определили относительные веса частей человеческого тела и положение их центров тяжести, подошли к определению вращательных моментов мышц, развиваемых в отдельных суставах. Это позволило начать экспериментальное изучение динамики двигательных действий. После смерти Брауне Фишер изучил с динамической точки зрения действие одно- и многосуставных мышц, рассмотрел статику человеческого тела как частный случай динамики мышечной деятельности.

В XX в. бурное развитие получило направление, связанное с управлением движениями живых систем, что связано со следующим направлением развития биомеханики - физиологическим.

Еще древнегреческий философ Платон (428-348 гг. до н. э.) раскрыл рефлекторную природу движений, роль механизмов нервной регуляции движений и участия в этом центральной нервной системы. В дальнейшем мысль об управлении движениями человека раскрывалась в работах отечественных ученых И. М. Сеченова, И. П. Павлова, А. А. Ухтомского, П. К. Анохина, Н. А. Бернштейна.

И. М. Сеченов (1829-1905) является основоположником биомеханики рабочих движений. В монографии «Очерки рабочих движений человека» (1901) он рассмотрел работу опорно-двигательного аппарата (ОДА) как рабочей машины (формы суставов, плечи сил тяги мышц); механику мышечного сокращения (факторы, определяющие силу мышцы); биомеханические свойства мышцы (в частности, упругие свойства мышцы); функции верхней и нижней конечностей человека как рабочей машины. Кроме этого, детальному биомеханическому анализу были подвергнуты некоторые физические упражнения: сгибание рук в висе, присед и вставание на одной ноге («пистолет»).

А. А. Ухтомский (1875-1942) четко разделил области приложения физиологии и механики двигательного акта и определил задачу последней в изучении движений. В книге «Физиология двигательного аппарата» (1927) он подробно рассмотрел вопросы, посвященные механическим свойствам мышц, а также зависимость силы мышцы от анатомических и физиологических факторов. Он ввел понятие о доминанте при выполнении двигательных действий[1].

Идеи И. М. Сеченова о рефлекторной природе управления движениями путем использования чувствительных сигналов получили дальнейшее развитие в положениях Н. А. Бернштейна о кольце-

вом характере процессов управления. Н. А. Бернштейн (1896-1966) по праву считается создателем теоретической основы современной биомеханики - учения о двигательной деятельности человека и животных. Он разработал многоуровневую теорию построения движений, согласно которой каждая двигательная задача в зависимости от содержания и смысловой структуры осуществляется на том или ином ведущем уровне, им разработан также принцип сенсорных коррекций. В исследованиях движений живых существ ему было важно, для чего происходит движение, что отражает целесообразность и целенаправленность в движениях. Эта черта функционирования живых существ была названа активностью. Н. А. Бернштейн усовершенствовал метод циклосъемки, упростил способы анализа фотоснимков, облегчил снаряжение испытуемого, а также предложил новые варианты съемки - зеркальная циклосъемка и кимоциклография.

Функционально-анатомическое направление создано трудами отечественных ученых М. Ф. Иваницкого и П. Ф. Лесгафта и основано на описании движений в суставах, определением участвующих при этом мышц. Знание морфологических особенностей биомеханических систем обеспечивает глубокое и правильное обоснование физической и технической подготовки.

Начало развитию биомеханики физических упражнений положил анатом, основоположник теоретической анатомии П. Ф. Лесгафт (1837-1909). В своем труде «Основы теоретической анатомии» (1892) он рассмотрел ряд проблем, смежных с биомеханикой -механические свойства биологических тканей; особенности строения и соединения костей в зависимости от действующих на них сил; особенности функционирования перистых мышц; морфометрические характеристики мышц (длина волокна, площадь поверхности опоры, расстояние от места прикрепления мышцы от оси вращения в зависимости от противодействия внешним силам и функции в организме)[2].

Успехи развития физиологии дали возможность по-новому взглянуть на биомеханику движений. Среди наиболее важных можно выделить работы известных физиологов А. Н. Крестовникова (1885-1955), связанные с выяснением механизма мышечной деятельности, координации движений, формирование двигательных условных рефлексов, этиологии утомления при физических нагрузках; П. К. Анохина (1898-1974), разработавшего передовую теорию о функциональных системах и др. Все это дало возможность обобщить физиологические данные с биомеханическими исследованиями и подойти к решению важных вопросов биомеханики движений в современном спорте, спорте высших достижений.

Дальнейшее развитие биомеханики пошло по нескольким направлениям, среди которых можно выделить следующие:

  • - теоретическая биомеханика, связанная с математическим моделированием движений, изучением закономерностей управления движениями;
  • - медицинская биомеханика, исследующая причины, последствия и способы профилактики травматизма, прочность опорнодвигательного аппарата;
  • - эргономическая биомеханика, изучающая взаимодействие человека с окружающими предметами окружающей среды и занимающаяся разработкой спортивного инвентаря, оборудования, тренажеров с целью рационализации их конструкции и оптимизации взаимодействия с ними человека в процессе двигательной деятельности;
  • - биомеханика физических упражнений, связанная со всеми аспектами формирования движений в массовых формах физического воспитания населения, спорта для всех;
  • - биомеханика адаптивной физической культуры, связанная с решением широкого круга проблем инвалидного спорта, разработкой приспособлений и режимов двигательной активности.

Биомеханические исследования позволили создать новый тип обуви, спортивного инвентаря, оборудования и техники управления ими (велосипеды, горные и прыжковые лыжи, гоночные лыжи, лодки для гребли и многое др.). Изучение гидродинамических характеристик рыб и дельфинов дало возможность создать специальные костюмы для пловцов, изменить технику плавания, что способствовало повышению скорости плавания.

Биомеханику преподают в высших физкультурных учебных заведениях во многих странах мира. Создано международное общество биомехаников, проводятся конференции, симпозиумы, конгрессы по биомеханике. При Президиуме Российской академии наук создан научный Совет по проблемам биомеханики с секциями, охватывающими среди прочих и проблемы спортивной биомеханики[3].

Конец XX и начало XXI в. знаменуется внедрением в биомеханику информационных технологий. При этом возросли возможности биомеханики как учебной и научной дисциплины: в настоящее время разработаны электронные учебники и компьютерные программы, широкое распространение получили программно-аппаратные комплексы, позволяющие в режиме реального времени обрабатывать данные, поступающие в компьютер. При выполнении двигательного действия в компьютер поступает информация с видеокамер, тензодинамометрической платформы. Эта информация обрабатывается компьютером, после чего результаты представляются в табличном и графическом видах.

В настоящее время активно развивается направление под названием компьютерное моделирование, позволяющее создавать новые варианты движения на основе знаний законов биомеханики, структуры двигательных действий и имеющихся данных о биомеханических характеристиках спортсменов.

  • [1] См.: Самсонова А. В. История биомеханики // Труды кафедры биомеханики : междисциплинар. сб. статей/НГУ им. П. Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург ; сост. А. В. Самсонова, С. А. Пронин. СПб., 2009. Вып. 2. С. 10-11.
  • [2] См.: Самсонова А. В. Вклад П. Ф. Лесгафта в биомеханику // Труды кафедры биомеханики : междисциплинар. сб. статей. Вып. 1. СПб., 2007. С. 11.
  • [3] См.: Дубровский В. И., Федорова В. Н. Биомеханика. М. : ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003. С. 19. 2 См.: Самсонова А. В. История биомеханики. С. 14.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >