БИОМЕХАНИКА ДВИГАТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

Введение

В первую очередь нужно дать определение, что такое биомеханика. Биомеханика – это один их разделов науки, изучающий двигательные возможности живых существ.

Движение является основополагающей деятельностью в жизни человека. Работа сердца, дыхание, пищеварение и т.д. – все это различные формы движения.

Двигательная деятельность человека происходит при участии всех органов тела. Тем не менее основную роль в движении играет опорно-двигательный аппарат, состоящий из комплекса костей (скелета), мышц и связок, нервных центров.

То, как устроен опорно-двигательный аппарат изучает такая наука как анатомия. Изучение опорно-двигательного аппарата в качестве машины-двигателя является предметом изучения, главным образом, биохимии и физиологии. Изучение его как рабочей машины, непосредственно является задачей такой науки как биомеханика.

Цель реферата изучить свойства и функции опорно-двигательного аппарата, и двигательные действия человека на основании понятий, принципов и законов классической механики.

Задачи реферата:

1. Ознакомиться с общими основами биомеханики как науки о движениях человека.
2. Рассмотреть биомеханические характеристики движений человека.
3. Описать биомеханику двигательного аппарата человека.
4. Раскрыть основы спортивной биомеханики.

1.Общие основы биомеханики как науки о движении человека

Как наука биомеханика изучает не только движения человека, но и движения животных. Однако двигательные действия человека существенно отличаются от движений животных:

1. Осознанная целенаправленность движений человека;
2. Возможность контролировать движения и планомерно совершенствовать двигательные действия.

Область изучения биомеханики - механические и биологические причины возникновения движений и особенности построения и выполнения движений в различных условиях. Причины возникновения движений человека и причины их изменения необходимо рассматривать как с позиций механики, так и с точки зрения биологии, учитывая роль человеческого сознания в управлении движениями.

Исходя из выше сказанного можно сделать вывод, что биомеханика человека изучает, какой способ и какие условия выполнения действий лучше и как овладеть ими. Общая задача изучения движений состоит в оценке эффективности приложения сил для достижения поставленной цели. Всякое изучение движений, в конечном счете, направлено на то, чтобы помочь лучше выполнять их. Прежде, чем приступить к разработке лучших способов действий, необходимо оценить уже существующие. Из этого получаем общую задачу биомеханики, сводящуюся к оцениванию эффективности способов выполнения изучаемого движения. Биомеханика исследует, каким образом полученная механическая энергия движения и напряжения может приобрести рабочее применение. Рабочий эффект измеряется тем, как используется затраченная энергия. Для этого определяют, какие силы совершают полезную работу, каковы они по происхождению, когда и где приложены. То же самое должно быть известно о силах, которые производят вредную работу, снижающую эффективность полезных сил. Такое изучение дает возможность сделать выводы о том, как повысить эффективность действия. При решении общей задачи биомеханики возникают многочисленные частные задачи, не только предусматривающие непосредственную оценку эффективности, но и вытекающие из общей задачи и ей подчиненные.

Метод биомеханики - системный анализ и системный синтез движений на основе количественных характеристик, в частности кибернетическое моделирование движений. Биомеханика, являясь наукой экспериментальной, опирается на опытное изучение движений. При помощи определенных приборов регистрируются количественные характеристики, такие как траектории скорости, ускорения и др., позволяющие различать движения, сравнивать их между собой. Рассматривая характеристики, мысленно расчленяют систему движений на составные части - устанавливают её состав. В этом - суть системного анализа.

Система движений как целое - не просто сумма её составляющих частей. Части системы объединены многочисленными взаимосвязями, придающими ей новые, не содержащиеся в её частях качества (системные свойства). Необходимо представлять это объединение, устанавливать способ взаимосвязи частей в системе - её структуру. В этом - суть системного синтеза. Системный анализ и системный синтез неразрывно связаны друг с другом, они взаимно дополняются в системно-структурном исследовании.

2. Биомеханические характеристики движений человека

Среди биомеханических характеристик человека различают такие, как: пространственные, временные и пространственно-временные характеристики.

Пространственные характеристики позволяют определить исходное и конечное положения при движении, разницу между ними, их изменения, т.е. это характеристики, в целом определяющие пространственную форму движений человека. К пространственным характеристикам движения относятся: траектория, путь, перемещение.

Траектория точки – это воображаемый след точки тела при ее движении в ходе выполнения двигательного действия. Кривизна траектории показывает форму движения в пространстве. Чтобы определить кривизну траектории, измеряют радиус кривизны. Если траектория является дугой окружности, радиус кривизны постоянный. По траектории можно судить об эффективности двигательного действия.

Путь [S] – расстояние, проходимое точкой вдоль траектории (длина траектории). Перемещение бывает линейным и угловым.

Перемещение бывает двух типов: линейное и угловое, где линейное перемещение [∆S] – это отрезок прямой, соединяющий начальное и конечное положение точки, а угловое перемещение [∆φ] - разность угловых координат конечного и начального положения рассматриваемой точки.

Временные характеристики раскрывают движение во времени: когда оно началось и закончилось, как долго длилось, как часто выполнялось движение, как они были построены во времени. К временным характеристикам движения относится: момент времени, длительность движения, темп и ритм.

Момент времени [t] определяется количеством времени, прошедшим от начала его отсчета до интересующей ситуации. Обычно обозначается t1, t2 и т.д. Момент времени определяют не только для начала и окончания движения, но и для других важных мгновенных положений. По моментам времени определяют длительность движения [∆t] (промежуток времени, прошедший от момента начала движения до момента его окончания).

Темп движения [n] - временная характеристика, используемая для циклических действий, показывающая, сколько движений выполняется в единицу времени.

Темп - величина, обратная длительности движений. Чем больше длительность каждого движения, тем меньше темп, и наоборот. В повторяющихся (циклических) движениях темп может служить показателем совершенства техники. Например, частота движений лыжников. С утомлением темп движений изменяется: он может повышаться (например, при уменьшении длины шага в беге) или понижаться (например, при неспособности поддерживать его).

Ритм - соотношение длительностей частей двигательного действия. (например, отношение времени опоры к времени полета в беге).

По пространственно-временным характеристикам определяют, как изменяются положения и движения тела во времени. При биомеханическом анализе спортивных движений важнейшее значение имеют пространственно-временные характеристики – скорость и ускорение.

Скорость [ν] – векторная величина, характеризующая, насколько быстро изменяется положение тела в пространстве с течением времени. Направление вектора скорости совпадает с направлением вектора перемещения.

Ускорение [a] – векторная величина, характеризующая быстроту изменения скорости по модулю и направлению. Также ускорение делится на три вида: угловое, центростремительное, тангенциальное, где угловое ускорение [ε] – векторная величина, характеризующая изменение угловой скорости за единицу времени, центростремительное ускорение [a_ц] – ускорение, характеризующее изменение направление вектора скорости, не влияя на его численное значение, Тангенциальное ускорение [a_t], кроме радиуса вращения [r] , зависит еще и от углового ускорения.

3. Биомеханика двигательного аппарата человека.

Все многообразие движений человека возможно благодаря особому строению и функциям двигательного аппарата, основу которого составляет костный скелет. Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями: кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Кости черепа, грудной клетки и таза защищают внутренние органы. Опорную функцию выполняют кости конечностей и позвоночника.

Прочность кости (механические свойства) обеспечивается физико-химическим единством органических и неорганических веществ, а также конструкцией костной ткани. Преобладание в кости органических веществ (у детей) обеспечивает ей большую упругость, эластичность. При изменении соотношения в сторону преобладания неорганических веществ кость становится ломкой, хрупкой (у людей пожилого возраста). Различают четыре вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

В теле человека кости скелета посредством различных видов соединений объединены в общую функциональную систему – пассивную часть опорно-двигательного аппарата. Все соединения костей можно подразделить на три типа:

1) непрерывные соединения, в которых между костями имеется прослойка соединительной ткани или хряща. Щель или полость между соединяющимися костями отсутствует;

2) симфизы, или полусуставы, имеют небольшую щель в хрящевой или соединительно-тканной прослойке между соединяющимися костями (переходная форма от непрерывных соединений к прерывным);

3) прерывные, или синовиальные, соединения (суставы) характеризуются наличием между костями полости и синовиальной мембраны, выстилающей изнутри суставную капсулу.

В суставах в зависимости от строения сочленяющихся поверхностей (форма, изогнутость, размер) движения могут совершаться вокруг различных осей. В биомеханике суставов выделяют следующие оси вращения: фронтальную, сагиттальную и продольную (вдоль сочленяющихся костей).

Суставы отличаются друг от друга числом сочленяющихся костей, т.е. числом суставных поверхностей, и формой этих поверхностей. В зависимости от числа суставных поверхностей выделяют простой сустав, образованный только двумя суставными поверхностями, и сложный сустав, образованный тремя и более суставными поверхностями. Кроме того, различают комплексный и комбинированный суставы. Комплексный сустав характеризуется наличием между сочленяющимися поверхностями суставного диска для мениска, который делит полость сустава на два этажа. Комбинированный сустав представлен двумя анатомическими изолированными суставами, действующими совместно (например, правый и левый височно-нижнечелюстные суставы).

Функции связок и сухожилий заключаются в укреплении суставов и передаче костным рычагам усилий мышечной тяги.

Все многообразие движений человека осуществляется благодаря сокращению скелетной мускулатуры, которую еще называют поперечнополосатой. Скелетной мускулатурой человек может управлять, обеспечивая все многообразие своих двигательных действий.

Основное назначение мышцы – преобразование химической энергии в механическую работу, которая необходима для перемещения звеньев тела. Главными биомеханическими показателями, характеризующими деятельность мышцы, являются:

1) сила, регистрируемая на ее конце (сила тяги мышц);

2) скорость изменения длины мышцы.

Поэтому мышцу рассматривают как систему, обладающую определенными механическими свойствами: сократимостью, жесткостью, прочностью, релаксацией и упругостью.

Сократимость – это способность мышцы сокращаться при возбуждении. В результате сокращения мышца укорачивается и возникает сила тяги.

Жесткость – это способность противодействовать прикладываемым силам. Жесткость зависит от скорости, с которой мышца растягивается, и от ее натяжения. Характеризуется коэффициентами жесткости и податливости.

Прочность оценивается величиной растягивающей силы, при которой мышца разрывается.

Релаксация – свойство мышцы, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине мышцы, например, при спрыгивании и прыжке вверх, если во время глубокого подседа человек делает паузу. Чем пауза больше, тем сила отталкивания и высота выпрыгивания меньше.

Упругость – способность мышцы восстанавливать первоначальную длину после устранения деформирующей силы. Существование упругих свойств объясняется тем, что при растягивании в мышце возникает энергия упругой деформации. Здесь мышцу можно сравнить с пружиной или с резиновым жгутом: чем сильнее растянута пружина, тем большая энергия в ней запасена.

4. Основы спортивной биомеханики

Биомеханика спорта (спортивная биомеханика) — раздел биомеханики, изучающий работу биомеханического аппарата спортсмена (БАС), взаимодействия БАС с окружающей средой, а также спортивным инвентарем, механизмами.

Дисциплина делится на три раздела: общую, дифференциальную и частную.

1. Общая биомеханика решает теоретические проблемы и помогает понять, как и почему человек движется.
2. Дифференциальная биомеханика изучает индивидуальные и групповые особенности двигательных возможностей и двигательной деятельности в зависимости от возраста, пола, состояния здоровья, уровня физической подготовленности, спортивной квалификации и т.п.
3. Частная биомеханика рассматривает конкретные вопросы технической и тактической подготовки в отдельных видах спорта и массовой физкультуры. Основной вопрос частной биомеханики – как научить человека правильно выполнять движения.

Взаимосвязи механического движения человека биомеханика изучает на трех уровнях: движение –двигательное действие –двигательная деятельность.

На первом уровне фактические данные для исследования движений получают в экспериментах с изолированными мышцами и другими частями тела животных.

Здоровый человек выполняет целенаправленные и мотивированные двигательные действия. На этом уровне биомеханика изучает и совершенствует технику двигательных действий (например, технику удара, прыжка шага и т.п.).

Третий уровень биомеханики посвящен тактике двигательной деятельности. При выполнении физических упражнений двигательная деятельность складывается из двигательных действий, как цепь из звеньев (например, бег состоит из отдельных шагов)

Двигательные действия в такой цепи взаимосвязаны и взаимообусловлены. Поэтому двигательная деятельность – это система двигательных действий.

Спортивная биомеханика изучает двигательные действия человека при выполнении им спортивных упражнений. Это необходимо для обеспечения роста спортивных результатов вплоть до рекордных для конкретного спортсмена или определенного вида спорта, выявления помогающих или препятствующих факторов при совершенствовании движений.

Основные задачи спортивной биомеханики состоят в следующем:

1) Совершенствование спортивной техники, моделирование и конструирование ее наиболее рациональных вариантов.

2) Биомеханический контроль техники отдельных спортсменов.

3) Выявление биомеханических закономерностей совершенствования двигательных действий.

4) Прогнозирование тенденций изменения параметров техники выполнения спортивных упражнений по мере роста спортивного мастерства для оценки этапных и конечных показателей.

5) Разработка тренажеров для спорта.

6) Совершенствование спортивного инвентаря.

Выводы

Биомеханика двигательной деятельности человека изучает, какой из методов и какие возможности выполнения определенных задач лучше и как будет максимально правильно и эффективно ими овладеть. Общая задача изучения движений состоит в оценке эффективности приложения сил для достижения поставленной цели. Любое изучение движений, так или иначе, направлено на то, чтобы помочь понять, как лучше их выполнять. Перед тем, как приступить к разработке лучших способов действий, необходимо проанализировать уже существующие. Отсюда вытекает общая задача биомеханики, сводящаяся к оценке эффективности способов выполнения изучаемого движения. Биомеханика исследует как именно полученная механическая энергия движения и напряжения может получить свое рабочее применение. Рабочий эффект измеряется тем, как именно используется потраченная энергия. Именно для этого определяют, какие силы совершают полезную работу, каковы они по происхождению, когда и где приложены. Так же должны быть исследованы те силы, которые производят вредную работу, так или иначе снижающие эффективность полезных сил. Такое изучение даст возможность сделать выводы о том, как повысить эффективность действия.

Список литературы:

1. Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика: Учеб. для сред, и высш. учеб, заведений. — М.: Изд-во ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003. — 672 с.: [Электронный ресурс] http://www.sgafkst.ru/images/studentu/obrazov_resyrs/anatomia/biomechanika_edu.pdf
2. Мудров, М. Ю. Биомеханика: учеб.-метод. комплекс для студентов специальности 1-03 02 01 «Физическая культура» / М. Ю. Мудров. – Новополоцк: ПГУ, 2010. – 184 с.: [Электронный ресурс] https://elib.psu.by/bitstream/123456789/10972/1/умк%20Биомеханика.pdf
3. Попов Г.И. Биомеханика двигательной деятельности: учеб. для студ. учреждений высш. проф. образования / Г. И. Попов, А.В. Самсонова. — 2-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2013. — 320 с.: [Электронный ресурс] https://www.academia-moscow.ru/ftp_share/_books/fragments/fragment_21448.pdf