Один на один с врагом: русская школа рукопашного боя

Человек как объект природы

Автор:
Кадочников Алексей Алексеевич
Источник:
Глава:
Человек как объект природы
Виды спорта:
Рукопашный бой
Рубрики:
Методики подготовки
Регионы:
РОССИЯ
Рассказать|
Аннотация

Понятие о степенях свободы Модельное представление человека Кинематические пары Плоские кинематические пары Пространственные кинематические пары Кинематические пары в теле человека Человек и биомеханика Кинематика движений человека Опорно-двигательный аппарат человека Костно-суставная система

Человек как объект природы

Понятие о степенях свободы
Модельное представление человека
Кинематические пары
Плоские кинематические пары
Пространственные кинематические пары
Кинематические пары в теле человека
Человек и биомеханика
Кинематика движений человека
Опорно-двигательный аппарат человека
Костно-суставная система
Мышечно-сухожильная система
Степени подвижности костно-суставной системы
Биомеханическое описание движений человека
Биомеханическая модель человека
Массово-инерционные характеристики модели
Определение положения центра масс модели
Определение моментов инерции модели
Прочность биологических материалов
Трудности управления движениями

Человек как объект природы

Физика оперирует такими абстрактными понятиями, как материальная точка, абсолютно твердое тело, количество движения… По-видимому, по этой причине нередко говорят: «Физика – наука о неживой природе».[1]

Из этого как будто бы следует, что для живого мира, в том числе для человека, должны существовать какие-то особые законы.

Но еще в XVI веке Леонардо да Винчи утверждал, что «наука механика потому столь благородна и полезна более всех прочих наук, что, как оказывается, все живые тела, имеющие способность к движению, действуют по ее законам».

Действительно, ведь человек живет в мире, устроенном и функционирующем в соответствии с законами физики. Наравне с другими объектами природы он совершает перемещения, участвует в силовых взаимодействиях, подвергается влиянию физических полей разного рода.

Поэтому человек, хотя и относится к живой, осознающей себя материи, является полноправным объектом изучения физики. Более того, его следует рассматривать как сложную физическую систему, в которой функционирование отдельных частей и взаимодействие с окружающей средой определяются конкретными физическими законами.

И все-таки правомерно ли распространение законов классической механики на живые системы, в том числе на человека?

Ведь, во-первых, известно, что основные законы классической механики описывают движение абстрактных абсолютно твердых тел, то есть таких тел, которые не деформируются (не изменяют своей формы и размеров).[2]

Во-вторых, живые системы коренным образом отличаются от абсолютно твердых тел. Это отличие состоит в возможности существенного изменения не только формы и размеров, но и относительного расположения составных частей системы. Для человека, в частности, эти изменения характеризуются таким понятием как поза. То есть с точки зрения механики, тело человека является телом переменной конфигурации. Иногда и отдельные части живой системы (например, позвоночный столб, грудная клетка человека) также существенно деформируются.

Двигательная деятельность человека – одно из сложнейших явлений материального мира. Она сложна потому, что очень непросты функции органов движения. Она сложна и потому, что в ней участвует сознание как продукт наиболее организованной материи – мозга. Поэтому двигательная деятельность человека существенно отличается от двигательных действий животных. Сходство между движениями животных и человека имеется на чисто биологическом уровне.

В первую очередь речь идет об осознанной, целенаправленной, активной деятельности человека, о понимании ее смысла, о возможности контролировать и планомерно совершенствовать свои движения. При помощи двигательной деятельности человек активно преобразует мир, свою собственную природу, физически совершенствуется.

Двигательная деятельность человека складывается из его действий, всегда имеющих цель и определенный смысл. Двигательные действия осуществляются при помощи произвольных активных движений, совершаемых и управляемых работой мышц. Человек по собственной воле начинает движения, изменяет их и прекращает, когда цель достигнута.

Двигательные действия человека, в свою очередь, включают в себя механическое движение. Именно оно представляет непосредственную цель двигательного действия (переместиться самому, переместить противника или партнера).

Любое движение человека осуществляется при определяющем участии в двигательном действии более высоких биологических форм движения. Именно поэтому движения живых систем не только намного сложнее, но и, без сомнения, качественно отличаются от движений твердых тел. Движения человека происходят как под действием внешних сил (сил тяжести, трения, инерции и др.), так и под действием внутренних сил (сил тяги мышц). А поскольку мышцы управляют центральной нервной системой, то и развиваемые ими силы обусловлены физиологическими процессами. Поэтому для понимания сущности живого движения необходимо не только изучение собственно механики движений, но и рассмотрение биологической стороны.

То есть, применяя общие законы механики к живым объектам, необходимо учитывать их не только механические, но и биологические особенности. Такие, например, как приспособляемость движений к внешним условиям, подверженность живого организма утомлению, возможность совершенствования движений и целый ряд других.

Итак, следует знать, что не существует особых законов механики для объектов живого мира. Все живые системы подчиняются законам классической механики. Но насколько живые системы отличаются от абстрактных абсолютно твердых тел, настолько же движения существа сложнее движений абсолютно твердого тела. Природа движений рассматривается во взаимосвязи закономерностей механики и биологии с учетом роли человеческого сознания в целенаправленном управлении движениями.

Понятие о степенях свободы

Человек изучает окружающий мир для того, чтобы приспособить его к себе, сделать безопасным для себя свое существование в нем. Поэтому процесс человеческого познания специфичен по целям, объекту и методам исследования.

Изучая какое-то явление природы, человек выделяет из всего многообразия связей и сторон этого явления то, что его больше всего интересует, и создает в своем сознании мысленный образ, идеальный объект. Этот объект можно считать некоей моделью, наблюдая за которой, изучают качественные и количественные закономерности ее поведения.


Таблица 1

Эксперименты с идеальным объектом позволяют обнаружить количественные взаимосвязи, так называемые физические законы.

Эти рассуждения можно представить в виде схемы (таблица 1).

В механике при изучении движения различных физических объектов используются следующие модельные представления: материальная точка, абсолютно твердое тело, система материальных точек или тел.

Простейшей моделью является материальная точка – тело, размерами которого в данных условиях движения можно пренебречь. В этом определении слова «в данных условиях движения» означают, что одно и то же тело при определенных его движениях можно считать точкой, а при других нельзя.

Понятие материальной точки абстрактное, но его введение облегчает решение многих практических задач. Например, океанский лайнер крайне мал по сравнению с протяженностью его рейса, и поэтому корабль можно считать точкой при описании движения в океане. Точно так же материальной точкой можно представить самолет или ракету, изучая их поступательное движение по заданным траекториям. Движение тел происходит в пространстве и во времени (t). Поэтому положение материальной точки определяется по отношению к какой-либо другой произвольно выбранной точке, называемой точкой отсчета или началом координат.

Пусть это будет точка О (рис. 1). Проведя через нее три взаимно перпендикулярные оси Ох, Оу и Oz, получим прямоугольную систему координат, в которой положение материальной точки А (например, положение самолета в воздухе) в данный момент времени характеризуется тремя координатами xA, yA, zA.

Число независимых координат, полностью определяющих положение точки в пространстве, называется числом степеней свободы.

Итак, если материальная точка (рис. 1) свободно движется в пространстве и изменяются ее координаты х, у, z, то она обладает тремя степенями свободы. Если точка В движется по некоторой поверхности (рис. 2) и изменяются ее координаты х, у, то она обладает двумя степенями свободы. Наконец, если точка С движется вдоль любой из осей координат, то она имеет одну степень свободы.

Кажется, к этому нечего добавить. Однако в действительности оказывается, что представление о степенях свободы складывается совсем не просто. Известный ученый-биолог Бернштейн Н. А, великолепно владевший умением рассказывать просто о сложных явлениях, в своей популярной книге о природе движения[3] пишет:

«Современная техника создала машины огромной сложности, способные совершенно самостоятельно, без участия человека, выполнять самые разнообразные и непростые операции. И самое поразительное, что все эти машины-автоматы при их сложности и изобилии подвижных частей имеют по одной-единственной степени свободы, т. е. обладают тем, что в технике называют вынужденным движением. Это значит, что каждая движущаяся точка в этих машинах, каждая деталь рычага, тяги или колеса движется все время по одному и тому же строго определенному пути. Форма этого пути может быть очень разнообразной: у одних точек – круговой, у других – прямолинейной, у третьих – овальной и т. д., но с этого пути движущаяся точка не сходит никогда. Таким образом, машины-автоматы в смысле своей подвижности принадлежат к числу самых простых систем, какие только могут существовать».

Н. А. Бернштейн


Утверждение об «одной единственной степени свободы» машины-автомата нуждается в оговорке.

Не стоит, по-видимому, говорить о подвижности машины-автомата вообще, в целом, а следует говорить только о подвижности какой-то движущейся детали этой машины.

И тогда здесь, на первый взгляд, обнаруживается некоторое противоречие. Если точка В (рис. 2) движется по дуге окружности в плоскости ХОY, то ее положение в каждый момент времени описывается двумя независимыми координатами xB, yB. Казалось бы, точка В имеет две степени свободы. Но это справедливо только для свободного движения. Если же движение является вынужденным, например, возвратно-поступательным, и «с этого пути движущаяся точка не сходит никогда», то эта точка имеет одну степень свободы.

Рис. 2


Вернемся к образным рассуждениям Бернштейна:

«Если бы какая-нибудь часть такой машины получила вместо одной две степени свободы, это совсем не значило бы, что на ее долю вместо одного достались два или даже несколько возможных путей-траекторий. Нет, это означало бы, что даная часть машины получила возможность „разгуливать“ по какой-то поверхности. Если я возьму перо и стану водить им по поверхности листа бумаги, то, какие бы фигуры ни вздумалось мне им изображать, я нигде не превышу своих возможностей по части дозволенных кончику пера двух степеней свободы, пока буду водить его без отрыва от бумаги. Этот переход от одной степени свободы к двум означает, таким образом, огромный качественный скачок от одной-единственной, точно определенной дорожки-траектории к бесконечному и вполне произвольному разнообразию таких дорожек… Три степени свободы вместо двух дают еще больше, хотя на этот раз не происходит такого огромного качественного скачка, как при переходе от одной к двум степеням свободы… Для пояснения надо сказать, что совершенно ничем не связанная точка, например, вольно порхающая в воздухе снежинка, не может иметь больше трех степеней свободы».

При решении практических задач очень часто оказывается, что в данных условиях движения никак нельзя пренебречь размерами тела. Тот же океанский лайнер при исследовании воздействия на него водной стихии (например, при бортовой и килевой качке) материальной точкой уже никак не назовешь, его следует рассматривать как тело конечных размеров.

Рис. 3


По этой причине в механике вводится еще одна модель – абсолютно твердое тело, то есть тело конечных размеров, которое ни при каких условиях не деформируется (не изменяет свою форму и размеры).

Эта модель существенно отличается от предыдущей. Она позволяет любое движение тела рассматривать как комбинацию поступательного и вращательного движений.

Следовательно, если твердое тело свободно движется в трехмерном пространстве, то оно получает дополнительные три степени свободы, а именно: свободы вращения (поворота) тела относительно каждой из осей координат. А это означает, что всякое твердое тело по сравнению с материальной точкой обладает шестью степенями свободы.

Перемещения тела при поступательном и вращательном движениях измеряются различно. При поступательном движении их можно определить по линейному перемещению любой точки тела, например, его центра масс (ЦМ), в неподвижной системе координат.[4] А при вращательном движении – по углу поворота тела относительно соответствующей координатной оси. Для измерения углов в центре масс тела помещают начало другой, подвижной системы координат, оси которой первоначально ориентированы так же, как и оси неподвижной системы. При повороте тела положение осей этой связанной системы координат относительно неподвижной системы определяется тремя углами.

Так, например, при изучении движения самолета в трехмерном пространстве (рис. 3) рассматривают:

• во-первых, движение его центра масс как материальной точки с массой, равной массе самолета, в неподвижной (земной) системе координат XYZ;

• во-вторых, поворот самолета как твердого тела конечных размеров относительно центра масс.

Положение осей связанной системы хyz, а следовательно, и повороты самолета в земной системе координат определяются тремя углами: φх, φy, φz.

И, наконец, в механике часто используется еще одно модельное представление: связанная система тел – совокупность материальных точек или тел – рассматриваемая как единое целое. Такая система имеет общий центр масс, а число степеней свободы системы обусловливается количеством связей между отдельными ее частями.

Рис. 4


Житейским и понятным примером такой модели может служить автомобиль, кузов и колеса которого образуют взаимосвязанную механическую систему.

Рассмотрим самую простую схему двухосного агрегата, в которой кузов опирается на колесный ход через упругие устройства (например, цилиндрические пружины).

При движении по неровностям дороги возникают колебания автомобиля.

Кузов автомобиля (подрессоренная масса М) колеблется с некоторой частотой w в этих колебательных движениях и, как всякое твердое тело конечных размеров, имеет шесть степеней свободы. Колеса автомобиля (неподрессоренные массы m1) тоже колеблются, но с большей частотой (wk>w).

Если автомобиль имеет независимую подвеску колес, обеспечивающую только их вертикальные перемещения, то колеса имеют по одной степени свободы. Легко догадаться, что в рассматриваемом случае движущийся по неровной дороге четырехколесный автомобиль, рассматриваемый как колебательная механическая система тел, имеет десять степеней свободы.

Принятием дополнительных упрощающих допущений можно прийти к новому модельному представлению автомобиля – к плоской расчетной схеме (рис. 4), имеющей всего две степени свободы движения кузова относительно ЦМ.

Модельное представление человека

Человека, как любое физическое тело, в зависимости от поставленных задач исследования можно рассматривать как материальную точку, как твердое тело или как связанную биомеханическую систему тел.

Как материальную точку человека рассматривают тогда, когда его перемещения намного больше собственных размеров тела и когда не исследуют движения отдельных частей тела и его вращение. Например, при прыжке с парашютом (рис. 5) парящий под куполом человек может рассматриваться как точка, положение которой в неподвижной системе координат XYZ определяется тремя независимыми координатами х1, у1, z1. То есть в данном случае человек обладает тремя степенями свободы.

Рис. 5


Человека рассматривают как твердое тело конечных размеров тогда, когда важно учитывать не только его местоположение в пространстве, но и ориентацию тела (в частности, при изучении условий статического равновесия человека, а также его вращения в постоянной позе). Так, парашютист, выполняющий в затяжном прыжке элементы воздушной акробатики, перемещается в пространстве относительно неподвижной (земной) системы координат ХYZ. При этом ось OY направлена по нормали к поверхности Земли, ось ОХ – по касательной к горизонту, ось OZ – перпендикулярно первым двум осям.

Положение осей связанной системы xyz, а следовательно, и повороты парашютиста в земной системе координат, определяются тремя углами: φх, φy, φz. То есть парашютист, выполняя акробатические фигуры, может совершать повороты вокруг каждой из осей.

Рис. 6


Например, при выполнении фигуры «сальто» вращение тела происходит относительно постоянно ориентированной в пространстве фронтальной оси тела ох (см. рис. 7).

При выполнении «сальто с поворотом» тело парашютиста вращается одновременно относительно, по меньшей мере, двух осей. Первая из них (например, ох) имеет постоянную ориентацию, вторая (к примеру, продольная ось тела оy) изменяет свою ориентацию в пространстве.

Рис. 7


Итак, в свободном полете человек как твердое тело конечных размеров имеет шесть степеней свободы.

Линейные перемещения человека в рукопашном бою определяются изменением координат х1, у1, z1 его ЦМ (рис. 6) в неподвижной системе х1, у1, z1. Повороты тела относительно ЦМ измеряются тремя углами: φх, φy, φz. Так, например, положение осей ОХ и OZ связанной системы координат ХYZ на приведенном рисунке определяется поворотом тела человека вокруг вертикальной оси ОY на угол φy.

При отклонениях продольной оси тела от вертикали во фронтальной или глубинной плоскостях тела происходит поворот тела вокруг осей OZ1 или ОХ1 соответственно.

Опорная поверхность Х1OZ1 является связью, ограничивающей перемещения тела вдоль оси OY1.

Таким образом, рукопашник, стоящий на выпрямленных ногах, имеет пять степеней свободы: перемещения вдоль осей ОХ1, ОZ1 и вращения вокруг координатных осей ОХ1, ОY1, ОZ1. Согнув ноги в коленях (приняв боевую стойку), рукопашник приобретает дополнительную ограниченную степень свободы перемещения вдоль оси ОY1.

В общем случае в рукопашном бою каждая связь, ограничивающая перемещения тела, уменьшает число степеней свободы.

1. Фиксация одной точки тела противника сразу лишает его трех степеней свободы – линейных перемещений вдоль трех основных координатных осей.

2. Закрепление двух точек тела приводит к образованию оси, проходящей через эти точки. В этом случае у тела остается лишь одна степень свободы: вращение относительно данной оси.

3. Закрепление третьей точки, не лежащей на этой оси, полностью лишает противника свободы движений.

Число связей, а следовательно, число степеней свободы может изменяться в процессе выполнения двигательного действия! Например, гимнаст, выполняющий махи на перекладине (рис. 7), обладает всего лишь одной степенью свободы вынужденного движения относительно оси OZ – оси перекладины. При выполнении соскока «дугой с сальто» спортсмен имеет три степени свободы (дополнительные две – в плоскости ХОY). А при соскоке «сальто с поворотом» число степеней свободы возрастает до шести (в зависимости от сложности вращения).

И парашютист, выполняющий акробатические фигуры, и гимнаст, совершающий головоломный соскок, совершают сложные движения. Оба, управляя своим телом, меняют позу. Но в обоих случаях важно проследить за изменением ориентации тела в пространстве, не принимая во внимание взаимные перемещения частей тела. Этим оправдано модельное представление человека как твердого тела.

И, наконец, человека следует рассматривать как связанную систему тел, когда, кроме положения и ориентации человека в пространстве, важно знать взаимное расположение отдельных частей тела относительно друг друга. Это в одинаковой мере относится ко многим видам спортивной двигательной деятельности.

Описание выведения человека из состояния равновесия весьма затруднительно без учета движения всех частей тела. Тут уже, с точки зрения механики, речь идет о представлении тела человека как тела переменной конфигурации. При такой постановке вопроса для описания движений человека должно использоваться соответствующее модельное представление, которое учитывало бы особенности движения отдельных взаимосвязанных частей тела, влияющих на выполнение двигательного действия.

Такой моделью может служить рассматриваемая в дальнейшем связанная биомеханическая система тел.

Кинематические пары

Искусственно созданную механическую систему тел, предназначенную для преобразования движения, называют механизмом. Главной особенностью всякого механизма является определенность движения его частей. Для того чтобы любое тело двигалось определенным образом, необходимо ограничить его подвижность другим телом.

Например, отдельно взятый цилиндрический стержень, ничем не ограниченный, может совершать разнообразные движения. Но если этот стержень поместить внутрь полого цилиндра (рис. 8), то движение стержня относительно цилиндра станет вполне определенным. Оно будет состоять из двух независимых движений: вращательного (1) и поступательного (2).

Такое соединение двух соприкасающихся тел, допускающее их относительное движение, называется кинематической парой.

Рис. 8


Тела, образующие кинематическую пару, называются звеньями. Звенья кинематической пары могут состоять из одного или нескольких жестко соединенных твердых тел. Поверхности, линии или точки соприкосновения звеньев называются элементами кинематических пар.

Если элементом соприкосновения звеньев является поверхность, кинематическая пара называется низшей.


Таблица 2

Низшие кинематические пары могут быть вращательными и поступательными (таблица 2). Большим преимуществом этих пар является малый износ элементов, так как соприкосновение звеньев происходит по поверхности и удельное давление в них невелико. Кроме того, эти кинематические пары обладают свойством инверсии (обратимости), то есть характер относительного движения не зависит от того, какое из двух звеньев закреплено.

Рис. 9


Если элементом соприкосновения звеньев является линия или точка, то такая пара называется высшей. Примером высшей кинематической пары может служить кулачковый механизм (рис. 9а) и зубчатая передача (9б). Удельное давление в таких механизмах очень велико, что вызывает повышенный износ их элементов и является большим недостатком. Однако ценным достоинством высших кинематических пар является их разнообразие. С их помощью значительно упрощается создание механизмов, обеспечивающих заданные сложные законы движения. Различают плоские и пространственные кинематические пары.

Плоские кинематические пары

Плоской называется кинематическая пара, все точки звеньев которой в относительном движении перемещаются в одной или в параллельных плоскостях.

Плоские кинематические пары получили наибольшее распространение в технике; они проще, потому рассматриваются в первую очередь. Положение отдельно взятого звена в любой момент плоского движения определяется тремя независимыми координатами. Так, положение звена АВ (рис. 10) может быть задано двумя координатами x1, y1 любой его точки, например точки А, и третьей координатой – углом наклона φ1 звена к одной из координаных осей. Вместо угла φ1, достаточно знать любую из двух независимых координат точки В (х2 или y2).

Рис. 10


Действительно, рассматриваемое звено АВ может совершать два независимых поступательных движения вдоль координатных осей ОХ, ОY и одно вращательное движение вокруг оси OZ, перпендикулярной к плоскости ХОY.

А так как известно, что количество независимых координат определяет число степеней свободы, то, понятно, это отдельное звено в любой момент плоского движения имеет три степени свободы.

Если рассмотренное звено войдет в кинематическую пару с другим звеном, то оно окажется уже не свободным – на его относительное движение накладываются связи, уменьшающие число степеней свободы.

Рис. 11


Так, положение двух звеньев, образующих низшую вращательную кинематическую пару (рис. 11), в любой момент плоского движения может быть определено четырьмя независимыми координатами, например, x1, y1, φ1, φ2. Координаты x1, y1, φ1 определяют положение на плоскости звена 1; для определения относительного положения звена 2 достаточно знать угол φ2.

Это означает, что система имеет четыре степени свободы (но не шесть, как было до соединения звеньев в кинематическую пару).

То есть соединение двух звеньев в низшую вращательную кинематическую пару отнимает у системы две степени свободы.

Если в рассмотренной кинематической паре ограничить подвижность звена 1, например, зафиксировать точку А (рис. 12), совместив ее с началом координат, то положение такой системы на плоскости будет определяться двумя независимыми координатами φ1, φ2. То есть система будет иметь всего две степени свободы. Звенья высшей кинематической пары (рис. 13), взятые порознь, в любой момент плоского движения обладают в сумме шестью степенями свободы. Если же они объединены в кинематическую пару, то для однозначного указания положения этой системы на плоскости требуется пять независимых параметров, например, x1, y1, φ1, φ2, φ3. Координаты x1, y1, указывают положение центра вращения звена 1 на плоскости; угол φ1 определяет положение самого звена 1 (точка А) относительно его центра вращения; угол φ2 определяет расположение звена 2 относительно звена 1; наконец, угол φ3 ориентирует звено 2 (точка В) относительно его центра вращения.

Рис. 12


Рис. 13


Таким образом, высшая кинематическая пара уменьшает число степеней свободы на единицу.

Пространственные кинематические пары

Кинематическая пара на каждой из координатных осей называется пространственной, если все точки ее звеньев в относительном движении описывают пространственные кривые.

В любой момент пространственного движения положение отдельного звена как твердого тела определяется шестью независимыми координатами. Так, положение звена АВ (рис. 14) может быть задано координатами x1, y1, z1 любой его точки, например точки А, и тремя углами φ1, φ2, φ3 наклона звена к каждой из координатных осей. Вместо указанных углов бывает проще использовать три других независимых параметра-координаты x2, y2, z2 точки В.

Рис. 14


Таким образом, звено АВ как свободно движущееся в пространстве твердое тело имеет шесть степеней свободы. Когда это звено войдет в кинематическую пару с другим таким же звеном, оно окажется уже не свободным (как отмечалось, на его относительное движение накладываются связи, уменьшающие число степеней свободы).

Пусть два звена – АВ длиной L1 и ВС длиной L2 – соединены в низшую вращательную кинематическую пару (рис. 15) цилиндрическим шарниром.

Положение данной системы звеньев в любой момент ее пространственного движения может быть задано семью независимыми координатами. Координаты x1, y1, z1 точки А и координаты x2, y2, z2 точки B определяют положение в пространстве звена АВ. Для определения относительного положения звена BС достаточно знать угол φ2. Это означает, что система имеет семь степеней свободы (но не двенадцать, как было до соединения звеньев в кинематическую пару).

Рис. 15


Итак, соединение двух звеньев цилиндрическим шарниром в пространственную кинематическую пару отнимает у системы пять степеней свободы.

Если в рассмотренной кинематической паре ограничить подвижность звена АВ, например, зафиксировать точку А (рис. 16), совместив ее с началом координат, то положение такой системы в пространстве будет определяться четырьмя независимыми координатами x1, y2, z2, φ2. То есть данная кинематическая пара будет иметь всего четыре степени свободы.

Рис. 16

Кинематические пары в теле человека

Кинематические пары, применяемые в технике и распространенные в природе, имеют принципиально важное отличие.

В технических механизмах кинематические пары устроены обычно так, что возможны их лишь вполне определенные, заранее заданные плоские движения.

Кинематические пары в теле человека – это подвижные соединения двух костных звеньев, обеспечивающие их произвольные пространственные движения. Возможности движения кинематических соединений определяются скелетным строением тела и управляющим воздействием мышц.

Кинематические пары в теле человека принято называть биокинематическими. Из всех биокинематических пар при изучении двигательных действий человека специалистов интересуют прежде всего верхние и нижние конечности тела, представляющие собой – по принятой классификации – низшие вращательные кинематические пары.

Рис. 17


На рис. 17 показана кинематическая модель верхней конечности человека. Шаровым шарниром 1 биокинематическая пара связана с туловищем; между собой звенья пары соединены цилиндрическим шарниром 2. Пространственные биокинематические пары конечностей могут быть замкнутыми или разомкнутыми. Они имеют постоянные и временные связи, которые и определяют, сколько и каких степеней свободы имеет данная рассматриваемая пара. Так, движения руки как разомкнутой биокинематической пары (рис. 18а) ограничены плечевым сочленением, исключающим линейные перемещения плеча 1 относительно туловища.

Ориентация руки в любой момент ее пространственного движения относительно туловища может быть описана пятью параметрами. Координаты xA, yA, zA (рис. 18б) определяют положение плеча 1, положение предплечья 2 относительно плеча задается углом φ2, поворот предплечья вокруг собственной оси – углом φ2.

Поворот предплечья на угол φ2 можно не учитывать, т. к. он не влияет на ориентацию руки в целом. При принятом допущении очевидно, что рука человека в общем случае имеет четыре степени свободы.

Фактическое же число степеней свободы руки зависит от ее ориентации в пространстве и ограничено пределами подвижности плечевого и локтевого суставов.

Рис. 18

Человек и биомеханика

Причины движений в биомеханике рассматриваются во взаимосвязи закономерностей механики и биологии не без учета роли человеческого сознания в целенаправленном управлении движениями.

Изучение движений в биомеханике двигательного аппарата человека в конечном счете направлено на изыскание способов совершения и совершенствования двигательных действий.

В биомеханике используют построенные на основе общей механики данные таких самостоятельных наук, как теория механизмов и машин, сопротивление материалов, теория упругости, аэрогидромеханика и другие.

Из биологических наук в биомеханике более всего используются данные анатомии и физиологии.

Биомеханика связана со многими отраслями знаний, в которых изучаются конкретные области прикладной двигательной деятельности.

Так, инженерная биомеханика смыкается с бионикой и инженерной психологией («человек и машина»). Она связана с разработкой роботов, манипуляторов и других технических устройств, расширяющих возможности человека в трудовой деятельности. Медицинская биомеханика дает обоснование методам протезирования, травматологии, ортопедии, лечебной физкультуры. Космическая биомеханика решает задачи подготовки космонавтов, обеспечения их работоспособности в условиях невесомости, а также двигательных действий при выходе в открытый космос.

Спортивная биомеханика решает общие и частные задачи изучения движений. Она дает не только теоретическое обоснование основ спортивной техники, но и вооружает знаниями, необходимыми для эффективного применения физических упражнений в качестве средства физического воспитания и повышения уровня спортивных достижений.

Освоение основ биомеханики помогает спортсмену разобраться в механизме движений человеческого тела, способствует более глубокому пониманию потенциальных двигательных возможностей человека.

Кинематика движений человека

В биомеханике под кинематикой движений понимают «геометрию», то есть пространственную форму движений человека без учета его массы и действующих сил. Кинематика дает в целом только внешнюю картину движений. Причины возникновения и изменения движений раскрывает динамика.

Положение тела человека в пространстве в биомеханике принято описывать его местоположением, ориентацией и позой.

Местоположение характеризует, в какой части пространства находится в данный момент человек.

Ориентация тела иллюстрирует его поворот относительно неподвижной системы координат (вверх головой, горизонтально, вниз головой, «кругом»).

Поза тела показывает взаимное расположение отдельных частей тела человека относительно друг друга.

Определение местоположения обычно не связано с большими трудностями. Чтобы определить местоположение человека как твердого тела, достаточно указать три координаты какой-либо точки тела в неподвижной системе координат Х1У1Z1 (рис. 19).

В качестве такой точки обычно выбирают центр масс (ЦМ) тела. В принятой системе координат местоположение тела определяется тремя координатами x1, y1, z1.

Рис. 19


Определение ориентации тела человека – задача гораздо более трудная, особенно при сложных позах.

Прежде чем показать пути ее решения, остановимся на том, как определяются основные оси и плоскости человеческого тела.

Оси тела образуют так называемую связанную систему координат XYZ, начало отсчета которой совмещают с центром масс (ЦМ) тела.

Для того чтобы изменение ориентации связанной системы точнее отражало изменение ориентации тела в пространстве, направление продольной оси определяют так. Тело человека (в стойке руки вверх) делится горизонтальной плоскостью на две равные по весу половины. Линия, соединяющая центры масс верхней и нижней половин тела (и проходящая через общий ЦМ), и есть продольная ось тела. В основной стойке эта ось практически близка к вертикальной.

Поэтому продольную ось тела ОY (рис. 19) направляют вертикально; ось ОХ проводят горизонтально и называют фронтальной; ось OZ направляют перпендикулярно первым двум осям и называют глубинной. Оси связанной системы первоначально ориентированы так же, как и оси неподвижной системы. При повороте (вращении) тела вместе с ним относительно неподвижной системы поворачивается и связанная система координат.

Таким образом, ориентацию тела в пространстве характеризуют три угловых координаты φx, φy, φz (так называемые углы Эйлера).

Заметим, что при сложных позах положение ЦМ может выходить за пределы тела.

В биомеханике с целью облегчить описание движений человека (в частности, при выполнении отдельных элементов упражнений, приемов и т. д.) вводят понятия плоскостей тела.

Основные плоскости тела (рис. 20) и всякие другие, параллельные им, ориентированы в системе трех взаимно перпендикулярных осей тела.

Вертикальная плоскость YОХ, проходящая через ЦМ и разделяющая тело на переднюю и заднюю части (а также всякая параллельная ей плоскость), называется фронтальной.

Рис. 20


Вертикальная плоскость YOZ, проходящая через ЦМ и разделяющая тело на левую и правую части, называется глубинной (а также продольной, сагиттальной). Горизонтальная плоскость ХOZ, проходящая через ЦМ и разделяющая тело на верхнюю и нижнюю части, называется поперечной (горизонтальной, трансверсальной). При описании двигательных действий человека движения его тела описываются соответственно в указанных основных или параллельных им плоскостях.

Опорно-двигательный аппарат человека

В повседневной жизни, выполняя те или иные движения, мы никогда не задумываемся над их природой. Для нас это как бы само собой разумеющееся, совершенно естественное явление. В действительности же управление движениями в человеческом организме – это очень сложный «технологический» процесс, требующий совместного и согласованного участия многих физиологических систем человека.

Все физические и психические реакции человека в конечном итоге приводят к движению. Великий русский ученый Сеченов И. М. писал: «Всё бесконечное разнообразие внешних проявлений мозговой деятельности сводится окончательно к одному лишь явлению – мышечному движению. Смеется ли ребенок при виде игрушки, улыбается ли Гарибальди, когда его гонят за излишнюю любовь к Родине, дрожит ли девушка при первой мысли о любви, создает ли Ньютон мировые законы и пишет их на бумаге – везде окончательным фактом является мышечное движение». Как осуществляется управление движениями? В чем состоят трудности управления? Каковы пути совершенствования процесса управления движениями тела? Для того чтобы получить ответ на эти и ряд других непростых вопросов, предварительно следует познакомиться с устройством опорно-двигательного аппарата человека.

Опорно-двигательный аппарат предназначен для реализации двигательной деятельности человека (поддержания местоположения и ориентации тела в пространстве, перемещений и организации сложных движений при изменении позы и т. д.).

Опорно-двигательный аппарат человека состоит из двух систем: костно-суставной (скелета) и мышечно-сухожильной.

Костно-суставная система

Скелет (рис. 21) обеспечивает телу человека опору и сохранение формы, а также защищает внутренние органы. Он является основной силовой конструкцией тела и воспринимает все нагрузки, действующие на человека. Скелет состоит из 148 подвижных костей и, соответственно, 147 сочленений (суставов).

Основой этой силовой конструкции, его опорным сооружением является туловище, включающее шею и позвоночник с его более чем двумя десятками межпозвоночных соединений и мышечным оснащением.

В эволюционном развитии человеку пришлось дорого заплатить за прямохождение. Ходьба в вертикальном положении обусловила, прежде всего, возрастание нагрузок на позвоночник. При ходьбе на четвереньках позвоночник функционировал, к примеру, как свод моста или поперечная балка. При переходе к прямохождению он приобрел сходство с эластичной колонной, которая, изгибаясь, амортизирует толчки при ходьбе и переносит вес туловища на стопы ног. В конце концов в процессе эволюции позвоночный столб приобрел сложную S-образную форму (рис. 22). Изгибы позвоночника обеспечивают ему упругость, что важно при ходьбе и беге. При резких движениях и прыжках позвоночник предохраняет мозг от сотрясения.

Туловище человека держится прямо только благодаря непрерывному напряжению всех мышц, «расчаливающих» позвоночный столб, подобно тому, как ванты расчаливают корабельную мачту. Такая конструкция обеспечивает телу человека исключительно гибкую подвижность, приспособляемость и маневренность.

Суставы скелета по своим функциям и устройству являются шарнирами.

Рис. 21


Рис. 22


Сочленение головы с позвоночником, плечевой и тазобедренный суставы устроены по принципу шарового шарнира, состоящего из двух соприкасающихся сферических поверхностей – выпуклой и вогнутой – равного радиуса. Локтевой и коленный суставы, суставы пальцев напоминают цилиндрический шарнир, допускающий вращение только в одной плоскости.

Важную роль в работе сочленений играет трение. Без него в суставах было бы невозможно преобразование поступательного движения мышц во вращательное движение конечностей.

Суставы человека служат примером совершенства творений природы. Проблема трения и изнашиваемости в суставах решена природой на таком уровне, о котором инженеры-специалисты по трению могут только мечтать. Динамические нагрузки, превышающие тысячи ньютонов, практическое отсутствие трения (коэффициент трения fmp = 0,003!), никакого «техобслуживания» и безотказная работа в течение всей жизни – таков перечень качеств природного шарнира-сустава.

Суставы играют исключительную роль в построении движений. Они определяют высокую подвижность всех звеньев тела человека. По-видимому, именно по этой причине в биомеханике зачастую говорят о степенях свободы суставов. Думается, это не совсем так.

В механике, напомним, под числом степеней свободы понимают число независимых координат, полностью определяющих положение в пространстве физического тела, в том числе и тела человека. Поэтому когда речь идет о суставе как части тела человека, то уместно говорить об обеспечении суставом степени свободы той или иной части тела. То есть, по-видимому, следует говорить не о степени свободы, а о степени подвижности сустава. Так, например, тазобедренный и плечевой суставы обеспечивают по три степени свободы поворота бедра и плеча относительно туловища. Локтевой и коленный суставы обеспечивают две степени свободы поворота предплечья и голени относительно плеча и бедра. Фаланги пальцев соединены суставами, обеспечивающими одну степень свободы.

С туловищем как основной силовой пространственной конструкции тела, посредством плечевых и тазобедренных суставов соединены четыре многозвенные рычажные системы конечностей.

Нижняя конечность включает (рис. 23а): тазобедренный сустав, бедренную кость, коленный сустав, голень (большую и малую берцовые кости), голеностопный сустав и стопу. На рис. 23б изображена механическая модель, воспроизводящая суставную подвижность ноги человека.

Тазобедренный шаровой сустав (рис. 24) допускает достаточно большие диапазоны движения: до 130° при маховых движениях конечности и до 80° при движениях в стороны.

Коленный сустав работает, как цилиндрический шарнир, но устроен довольно сложно (рис. 25). Пределы сгибания-разгибания колена являются рекордными для всех сочленений человеческого тела: около 140° так называемой активной подвижности (за счет работы собственных мышц этого сочленения) и свыше 170° пассивной подвижности (за счет внешних сил). Полусогнутый коленный сустав допускает и небольшое продольное вращение голени до 40–60°.

Рис. 23


Рис. 24


Рис. 25


Голеностопный сустав включает как бы два сочленения, напоминающие карданные соединения в технике и расположенные очень близко одно за другим. Они позволяют стопе наклоняться относительно голени во все стороны на 45–55°.

Сама стопа – многокостное упругое устройство – приспособлена к восприятию нагрузки, соответствующей 5–6-кратному значению веса человека. Однако активная внутренняя подвижность стопы ничтожна, и ею пренебрегают.

Верхняя конечность включает (рис. 26): плечелопаточный сустав, плечевую кость, локтевой сустав, предплечье (локтевую и лучевую кости), лучезапястное сочленение и кисть.

Устройство руки аналогично устройству нижней конечности, но более сложное. Плечелопаточный шаровой шарнир руки (рис. 27) гораздо подвижнее тазобедренного и допускает обширные движения: до 190° в вертикальной (глубинной) плоскости, до 180° в стороны (в поперечной плоскости) и до 100° во фронтальной плоскости.

Локтевой сустав представляет собой (рис. 28) цилиндрический шарнир, обеспечивающий сгибание-разгибание руки в плоскости движения предплечья в пределах до 145°.

Трудовая деятельность внесла в строение руки человека много усовершенствований, отличающих ее от передних конечностей животных. Только рука человека имеет способность поворачивать предплечье с кистью относительно его продольной оси (рис. 29). Общий диапазон этих движений превосходит 180°. В повседневной жизни это именно то вращательное движение, которым мы пользуемся, поворачивая ключ в двери.

В биомеханике эти повороты предплечья называют пронацией и супинацией. Бернштейн приводит очень простое и забавное правило для запоминания этой непривычной терминологии: «Поверните кисть ладонью кверху и скажите: „Несу суп“. Это движение и есть супинация. Затем опрокиньте кисть ладонью вниз и скажите: „Пролил“. Это – „пронация“».

Рис. 26


Рис. 27


Соединение между предплечьем и кистью (лучезапястное сочленение) само по себе обладает двумя видами подвижности (рис. 30): вверх-вниз на 170°, вправо-влево на 60°. Эти два направления подвижности в сочетании с третьим – пронацией и супинацией – равносильны тому, как если бы кисть была подвешена к руке на втором шаровом шарнире (следующим за плечелопаточным). В итоге два последовательно расположенных шаровых шарнира в сочетании с локтевым суставом не только обеспечивают кисти возможность принять любое положение и изменить направление движения, но и позволяют сделать это при самых разнообразных положениях плеча и предплечья.

Кисть, в отличие от стопы, обладает большой внутренней активностью. Скелет кисти представляет собой целую тонкую мозаику из косточек. Благодаря способности большого пальца кисти противополагаться каждому из остальных кисть является великолепным приспособлением для обхватывания и прочного удержания предметов любой формы. При этом еще остается возможность двигать локтем, т. е. смещать плечо и предплечье при неподвижном туловище.

Почему важно знать степень подвижности суставов опорно-двигательного аппарата человека? Да потому, что подвижность плечевых и тазобедренных суставов определяет число степеней свободы верхних и нижних конечностей. А это, в свою очередь, регламентирует построение движений при выполнении двигательных действий (например, применение болевых приемов, «выключение» суставов при выведении противника из равновесия и т. д.).

Рис. 28


Рис. 29


Рис. 30


Предельные диапазоны подвижности в суставах ограничивают применимость моделей, используемых, в частности, при моделировании верхних и нижних конечностей.

Так, например, плечевой сустав допускает вращение плеча в ограниченном пространстве, в пределах некоего конуса, сметаемого плечом при предельных отклонениях в суставе.

Эти ограничения уменьшают число степеней свободы руки по крайней мере на единицу при достижении предельных отклонений в каждой из основных плоскостей тела.

Кроме того, принудительное вращение предплечья вокруг продольной оси до упора «выключает» локтевой сустав, лишая руку двух степеней свободы.

Мышечно-сухожильная система

Мышечная система опорно-двигательного аппарата обеспечивает высокую подвижность человека. Она состоит из скелетных мышц, сухожилий и связок.

Скелетные мышцы предназначены для создания тяговых усилий, они участвуют в движениях туловища и конечностей, в значительной мере определяющих движения человека. Функциональное назначение основных скелетных мышц показано на рис. 31. Это: мышцы, предназначенные для сохранения вертикального положения тела; мышцы, сгибающие и поворачивающие туловище; мышцы, поднимающие, сгибающие и разгибающие конечности и другие. Форма мышцы зависит от места ее расположения и выполняемой функции.

Рис. 31


Скелетные мышцы являются «источником» силы в теле человека. Они образованы так называемой поперечнополосатой мышечной тканью, волокна которой собраны в пучки (рис. 32). Внутри волокон проходят белковые нити, благодаря которым мышцы способны сокращаться. Эта способность мышц имеет огромное значение. Сокращаясь, мышца действует на кость как на рычаг и производит механическую работу. Именно сокращение скелетных мышц обеспечивает перемещение одних частей тела по отношению к другим и в конечном счете – движение тела в пространстве.

Рис. 32


Любое мышечное сокращение связано с расходом энергии. Источником энергии служат распад и окисление органических веществ (углеводов, жиров, нуклеиновых кислот). Эти вещества в мышечных волокнах подвергаются химическим превращениям с участием кислорода. В результате образуются продукты расщепления (главным образом углекислый газ и вода) и освобождается энергия.

Протекающая через мышцы кровь постоянно снабжает их питательными веществами и кислородом и уносит из них углекислый газ и другие продукты распада.

Мышцы состоят из мягких тканей и работают только на растяжение (они могут тянуть, но не могут толкать). Поэтому в выполнении человеком любого движения участвуют две группы мышц: сгибатели и разгибатели суставов.

Рис. 33


На рисунке 33 показана работа мышц локтевого сустава. Сгибание руки в суставе осуществляется при сокращении мышцы-сгибателя и одновременном расслаблении мышцы-разгибателя.

При разгибании в суставе функции мышц меняются. Мышцы свободно висящей вдоль тела руки могут одновременно находиться в расслабленном состоянии. При удержании груза (ядра, гири) в горизонтально вытянутой руке наблюдается одновременное сокращение мышц.

Степени подвижности костно-суставной системы

Вся двигательная деятельность человека (поддержание местоположения и ориентации тела в пространстве, его перемещения, изменение позы и т. п.) осуществляется с помощью опорно-двигательного аппарата. Управление движениями означает управление именно опорно-двигательным аппаратом.

Исключительную роль в построении движений играет костно-суставная система (скелет). Она не только обеспечивает телу человека опору и сохранение формы, но обусловливает также высокую подвижность и разнообразие движений.

Рис. 34


При оценке степени подвижности костно-суставной системы ее рассматривают как сложный пространственный механизм. Этот механизм, как известно, включает вполне определенное количество подвижных костей, соединенных различного рода суставами (шарнирами), обеспечивающими соответствующим частям тела от одной до трех степеней свободы. Структурная схема костно-суставной системы как многозвенного пространственного механизма представлена на рис. 34. Подвижность такого пространственного механизма в «Теории механизмов и машин» определяется по формуле следующего вида:

где n – число подвижных костей;

ki – число суставов определенных классов (i = 3, 4, 5).

Скелет человека имеет число подвижных костей n = 148; суставов, обеспечивающих три степени свободы k3 -29, две степени свободы k4= 33, одну степень свободы k5 = 85.

Подставив числовые значения в формулу, получим громадное число степеней подвижности костно-суставной конструкции человека:

П = 244!


Преодоление непомерного избытка степеней по– движности костно-суставной системы обеспечивается мышечно-сухожильной системой.

Мышцы облегают скелет со всех сторон, где они по условиям подвижности могут понадобиться. Если у суставов имеются стороны, в которые они не должны двигаться (например, локтевой сустав – сгибаться в стороны, а не вперед-назад), то с этих сторон вместо нежной мышечной ткани размещается более грубая связочно-сухожильная.

Так или иначе, но каждый сустав закреплен со всех сторон гибкими растяжками – мышцами или связками, так сказать, «расчален» ими.

Это очень похоже на то, как расчаливаются высокие мачты судов или радиопередающих станций. При этом мышцы, кроме их прямых функций движителя, загружаются еще добавочной – опорной. Зато получается явный выигрыш по части гибкости опорной конструкции.

Биомеханическое описание движений человека

В анатомии человека для описания поз и, соответственно, движений в суставах используют специфические термины (сгибание-разгибание, отведение-приведение, пронация-супинация). Эта терминология чисто описательная: «сгибание ноги», «отведение руки». Но она не описывает особенностей движения в отдельных суставах.

Например, при сгибании ноги движения сочленяющихся суставных поверхностей в тазобедренном и коленном суставах совершенно различны.

Более того, при последовательном выполнении нескольких движений финальное положение конечности зависит от порядка их выполнения и может оказаться измененным.

В этом легко убедиться на следующем примере. Если попросить человека из положения основной стойки выполнить сгибание руки вперед затем разгибание в сторону и приведение, то ладонная поверхность кисти окажется развернутой (супинированной) на 90°. Но ведь описанные выше движения не включали супинирования кисти руки. Значит, при выполнении заданной последовательности движений могут появляться дополнительные, так называемые сопутствующие движения.

Из этого, в частности, следует, что одновременное описание кинематики движений всех звеньев тела при изменении позы (с учетом большого числа звеньев и степеней их подвижности) на практике представляет серьезные трудности.

Поэтому в биомеханике рассматривают упрощенную физическую картину, в которой тело человека представляют в виде некоторой идеализированной биомеханической модели.

Биомеханическая модель человека

Биомеханика изучает в опорно-двигательном аппарате человека преимущественно те особенности его строения и функций, которые имеют значение для совершения (и совершенствования) движений.

При самом упрощенном подходе перемещение человека рассматривают как движение его общего ЦМ. В этом случае можно проследить лишь за перемещением тела человека в целом, оценить в известной мере общий итог его двигательной деятельности. Но остается неизвестным, в результате каких именно движений достигнуто перемещение общего ЦМ.

Учет особенностей движения отдельных звеньев тела позволяет более точно рассмотреть и перемещение человека в целом.

В первом приближении в биомеханике отвлекаются от деталей анатомического строения и физиологических механизмов опорно-двигательного аппарата и рассматривают упрощенную (рабочую) модель человека.

При этом стремятся, чтобы эта биомеханическая модель обладала основными свойствами, присущими моделируемому объекту, и обеспечивала бы использование современных методов исследования, в том числе применение аппарата теоретической механики.

При построении рабочей модели человека в биомеханике делают, как правило, следующие допущения:[5]

• Звенья модели (части тела человека) абсолютно твердые, то есть не деформируются ни при каких обстоятельствах.

• Геометрические параметры и масса звеньев модели (их длина и пр.) совпадают с соответствующими параметрами сегментов тела человека.

• Звенья модели соединены в идеальные кинематические пары сферическими (шаровыми) или цилиндрическими шарнирами.

При принятых упрощающих допущениях рабочая модель человека, представленная на рисунке 35, включает девять звеньев туловища и конечностей.

Туловище моделируется как одно жесткое звено, образованное верхней и нижней траверсами, которые соединены между собой продольным элементом.

Конечности человека представляют как замкнутые или разомкнутые кинематические пары, соединенные с туловищем шаровыми шарнирами. Считают, что звенья кинематических пар между собой соединены цилиндрическими шарнирами.

Для совпадения геометрических параметров модели с соответствующими параметрами сегментов человека шарниры модели совмещают с шарнирами скелета человека.

Модели такого типа нашли широкое применение в биомеханике и получили название базовых моделей. При исследовании движений человека они давно используются многочисленными авторами, начиная с Бернштейна Н. А. Известны труды многих исследователей (Донского Д. Д., Зациорского В. М. и др.), которыми накоплен богатый экспериментальный материал по определению геометрических и массовых параметров при моделировании человека.

Рис. 35


Американской службой NАSА[6] на основании антропологических исследований большого количества людей получены экспериментальные данные о геометрических параметрах и положении ЦМ отдельных частей тела «среднего» человека.

Суммарное число степеней свободы биомеханической модели человека, как правило, больше шести. Его определяет наличие разомкнутых кинематических цепей, в основном верхних конечностей. В пределах подвижности сочленений с туловищем они могут иметь по четыре степени свободы (рис. 6).

Определяющим фактором является поза человека – взаимное расположение отдельных сегментов тела относительно друг друга. При изменении позы суммарное число степеней свободы изменяется, так как новой позе соответствует новое модельное представление человека.

В позе, соответствующей боевой стойке (рис. 6), биомеханическая модель имеет четырнадцать степеней свободы – (6+4+4).

В процессе выполнения двигательного действия разомкнутая цепь внезапно может получить связь в виде опоры или захвата, что резко ограничивает свободу движений. Следовательно, число степеней свободы биомеханической модели человека может изменяться в широком диапазоне.

Массово-инерционные характеристики модели

В биомеханике совокупность показателей, характеризующих распределение масс в теле человека, принято называть геометрией масс. Для биомеханических расчетов нужны точные сведения об этих показателях.


Таблица 3

К массово-инерционым характеристикам тела человека относятся:

• массы и координаты центров масс всего тела в целом и отдельных его частей (звеньев);

• моменты инерции тела при разных позах и положениях оси вращения;

• радиусы инерции отдельных звеньев (сегментов) тела;

• центры качаний физического маятника и т. п.

Понятие массы и силы вытекают из первого закона Ньютона, который обобщает принцип инерции:

«Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние».

Понятие массы. Стремление тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения в механике называют инертностью, а закон Ньютона – законом инерции. С проявлением этого закона человек постоянно сталкивается в повседневной жизни.

Из опыта известно, что различные тела при одинаковом воздействии со стороны других тел неодинаково изменяют скорость своего движения. Иными словами, они приобретают различные ускорения. Из этого следует, что ускорения зависят не только от величины воздействия, но и от свойств самого тела.

В физике всякое свойство тел выражается определенной величиной. Например, свойство тела занимать часть пространства выражается его объемом.

Так и свойство тела, которое называют инертностью, выражают его массой. Это свойство не зависит ни от условий внешнего воздействия, ни от характера движения. Что бы с телом ни происходило, где бы оно ни двигалось, масса его остается одной и той же.

Таким образом, масса – это физическая величина, которая наряду с такими величинами, как длина, время и др., входит в число основных величин международной системы единиц (СИ).

В качестве эталона массы на международном конгрессе в 1889 году была принята масса специально изготовленного цилиндра из сплава платины и иридия. Эта единица массы получила название килограмм – 1 кг. С достаточной для практики точностью можно считать, что массой в 1 кг обладает 1 л чистой воды при температуре 15 °C.

Для описания упоминаемого в первом законе Ньютона «воздействия со стороны других тел» в механике вводят понятие силы и говорят: на тело действует сила.

Понятие силы (и момента силы) подробно излагается в следующей главе.

Рабочая модель позволяет для конкретного телосложения человека (роста и массы) рассчитать положение его центра масс и моменты инерции для любой позы тела, что очень важно для анализа построения движений.

Определение положения центра масс модели

При исследовании движений человека, как правило, возникает необходимость учитывать не только величину массы, но и ее распределение в теле. На распределение массы тела указывает расположение так называемого центра масс тела.

Центром масс (ЦМ) тела или системы тел называют воображаемую точку, в которой как бы сосредоточена вся масса тела или системы.

Понятие центра масс оказывается существенным тогда, когда в данных условиях движения тело нельзя рассматривать как материальную точку, пренебрегая его размерами.

Положение общего ЦМ рабочей модели человека как биомеханической системы рассчитывается по известной формуле механики:

где yцм – координата общего ЦМ модели относительно начала отсчета;

n – число звеньев тела;

m1 – масса i-го звена тела (или суммарная масса симметричных звеньев);

y1 – координата ЦМ i-го звена тела;

М = φmi – общая масса модели тела (сумма масс mi).

Таким образом, положение общего ЦМ модели зависит от расположения масс m отдельных частей тела относительно выбранного начала отсчета. При изменении позы меняется положение звеньев тела, а следовательно, меняется и положение общего центра масс.

Данные для определения масс mi и координат yi центров масс отдельных звеньев тела (в % от общей массы и полного роста человека) приведены в левой части таблицы 4, составленной на основании экспериментальных данных американской службы NАSА.

В правой части таблицы приведены расчетные значения mi и yi для конкретных исходных данных (рост 170 см, масса 80 кг) рабочей модели, изображенной на рисунке внутри таблицы.

При подстановке полученных расчетных значений mi, yi в формулу для определения общего ЦМ имеем:

Уцм = m1y1 + m2y2 +… + mnyn): M = (5,5.159+2,65.2.121,9+…+1,35.2.3,1):80 = 98,6 cм.

В основной стойке (руки вдоль туловища) координата уцм составляет 58 % от полного роста, т. е. уцм = 0,58 L (см). А значит, положение общего ЦМ модели находится очень легко. Так, при росте 190 см координата ЦМ в основной стойке:

уцм= 0,58 . 190 = 110,2 см (от пола).

Изложенная выше методика позволяет достаточно просто находить положение ЦМ модели и при изменении позы человека. Например, для тех же исходных данных (рост 170 см, масса 80 кг) в стойке с верхней рамкой (рис. 37) координата Уцм = 98,1 см; в «гимнастической» позе (рис. 37) Уцм = 109,1 см.

При сложной позе тела рекомендуется вычертить рабочую модель на масштабной бумаге («миллиметровке»). Это позволяет определять координаты ЦМ отдельных звеньев тела с очень высокой точностью.

Определение моментов инерции модели

Момент инерции тела есть мера инертности тела при вращательном движении.

Моментом инерции модели (системы тел) относительно некоторой оси называется физическая величина, равная сумме произведений масс mi отдельных звеньев (тел) на квадрат их расстояний ri от рассматриваемой оси:

Это означает, что в деформирующейся биомеханической системе тел, когда ее звенья отдаляются от оси вращения, момент инерции системы увеличивается.

Основными факторами, влияющими на момент инерции, являются масса и длина тела. На рис. 38 показана зависимость момента инерции (в условных единицах) от позы тела и положения оси вращения. Как видно, изменением позы можно очень сильно влиять на момент инерции. Например, группировка при выполнении сальто (в) уменьшает момент инерции по сравнению с прямым положением тела (г) в три раза.

Момент инерции тела I0 относительно оси вращения, проходящей через ЦМ, называется центральным.

При его определении можно воспользоваться данными таблицы 4. Расстояния ri относительно оси вращения О—О определяются просто.

Для звеньев тела, расположенных выше оси:

ri = yi – yцм;

для остальных звеньев, расположенных ниже оси:

ri = yцм – yi.

Центральный момент инерции модели:


Таблица 4

Рис. 36


Рис. 37

I0 = miri2 = (m1r12 + m2r22 +…+ mnrn2) = (5,5.60,4+2,65.2.30+…+1,35.2.95,5)=1,3 кг м2.

В других случаях предварительно следует вычертить рабочую модель в масштабе и произвести предварительные расчеты.

Момент инерции относительно любой оси, параллельной центральной, можно рассчитать по формуле:

Ic = Io + mil2,

где Ic – искомый момент инерции;

Io – центральный момент инерции;

mi – масса звена;

l – расстояние между осями.

Рис. 38


Инерционное сопротивление увеличивается с отдалением частей тела от оси вращения пропорционально квадрату расстояния. Поскольку материальные точки в теле расположены на разных расстояниях от оси вращения, для ряда задач оказалось удобным ввести понятие «радиуса инерции».

Радиус инерции Rин – это сравнительная мера инертности данного тела относительно его разных осей. Из выражения для момента инерции относительно данной оси I = MRин2 следует:

где М – масса тела.

Найдя опытным путем момент инерции Io, можно рассчитать радиус инерции Rин, величина которого характеризует распределение материальных точек в теле относительно данной оси. Но точное количественное определение этой величины в конкретных случаях нередко затруднено.

Инерционно-массовые характеристики, такие, как масса тела, положение центра масс, величина момента инерции, оказывают существенное влияние на параметры устойчивости, а также на инерционное сопротивление тела вращательному движению.

В частности, чем больше инерционное сопротивление тела, тем меньше угловая скорость его вращения. Например, при вращении тела вокруг вертикальной оси (рис. 38а) с угловой скоростью φ1 увеличение инерционного сопротивления (I2>I1) разведением рук в стороны (рис. 38б) приводит к уменьшению угловой скорости (φ11).

Прочность биологических материалов

Опорно-двигательный аппарат человека должен противостоять нагрузкам, обусловленным, во-первых, действием собственного веса и, во-вторых, ускорениями, которые всегда сопровождают любое движение. Особенно большие, хотя и кратковременные нагрузки скелет человека испытывает при ударах, прыжках, падениях и в аварийных ситуациях. Действующие при этом силы могут в 15–30 раз превышать собственный вес человеческого тела.

При нагрузке кости мышцы и сухожилия как упругие материалы деформируются. На примере тела человека можно проследить все виды деформаций: сжатие, растяжение, изгиб, кручение. Так, кости позвоночника и нижних конечностей в основном подвергаются сжатию и изгибу. Кости верхних конечностей, мышцы, связки, сухожилия – растяжению. Кручению подвержены шея, туловище в пояснице, кисти рук.

Наука о прочности и деформируемости различных материалов и элементов конструкций называется сопротивлением материалов. Под прочностью понимают способность материалов сопротивляться действию внешних сил. Количественной характеристикой способности любого материала сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок служит предел прочности.

По прочности кость человека не уступает некоторым известным материалам и даже металлам. Так, например, предел прочности кости на растяжение в 3 раза больше, чем у древесины вдоль волокон, в 9 раз превышает предел прочности свинца и почти равен пределу прочности алюминия и чугуна. А предел прочности кости на сжатие в 5 раз больше, чем у древесины (вдоль волокон), и превосходит предел прочности бетона в 6–8 раз.

В расчетах на прочность закладывают 3–10-кратный запас прочности. Это означает, что рабочее сечение образца нужно подбирать таким образом, чтобы реальные напряжения в нем были в 3–10 раз меньше указанных в таблице.

Высокая механическая прочность кости человека (впрочем, как и многих животных) обусловлена свойствами исходных компонентов материала кости и ее особым строением. Кость состоит из органических волокон (коллагена), неорганических кристаллов гидроапатита, связующих веществ и воды. Реакция каждого из этих материалов на механические нагрузки различна и сравнительно невелика. И только в сочетании эти компоненты дают прочность, сравнимую с прочностью металлов.

Большое значение для прочности костей человека имеют их конструктивные особенности. Трубчатые сечения (рис. 39а) обеспечивают единство двух взаимоисключающих качеств: прочности и минимального веса.

Интересными особенностями отличается также внутреннее строение пустотелых костей. На рисунке 39б показан полусхематический разрез тазобедренного шарового сустава. Пересекающиеся линии на рисунке – это система тонких внутренних перемычек. Они ориентированы вдоль направлений возможных механических напряжений, возникающих при тех или иных деформациях нагружаемой кости.

Эти перемычки образуются в процессе роста костей под действием внешних нагрузок. При этом реакция костной системы на разрушающие деформации заключается в пассивной ориентировке волокон в направлении тяги. Напрашивается интересный вывод: чем большие нагрузки испытывают кости растущего организма, тем прочнее они становятся.

Рис. 39


Рассмотренные конструктивные особенности строения кости делают ее способной выдерживать огромные нагрузки. Например, при статических испытаниях на прочность бедренная кость (рис. 40а) выдерживала нагрузку F1 = 15 кН (1500 кгс), то есть в 15–20 раз превышающую вес человека. Тазобедренная кость (рис. 40б), поставленная вертикально, в том же опыте выдерживала груз весом F2 = 50 кН (вес автомобиля «Волга»!).

Но прочность ноги определяется самым тонким, а значит, и самым уязвимым ее местом – берцовой костью голени, площадь поперечного сечения которой всего S = 2,8 см2. Требуемое значение предела прочности кости: [φ] = 1,2 . 108Па (1200 кгс/см2).

Рис. 40


Тогда по условию прочности предельно допустимая нагрузка на одну ногу Р = S[φ] = 2,8.10 – 4.1,2.108 = 3,36.104H(3360 кгс), то есть при превышающей нагрузке голень ломается.

Проанализируем нагрузки, которые возникают в экстремальных ситуациях (при прыжках, падениях и пр.). В качестве примера рассмотрим прыжок человека массой М = 70 кг с высоты h = 5 м.

Вероятны два случая:

1. Человек после прыжка приземляется, сгибая ноги в коленях. При расчете примем, что перемещение тела при приземлении составляет φl = 0,5 м; ускорение g =10 м/с2.

Нагрузка на голень при столкновении с землей: Р1 = mgh/φl = 70.10.5/0,5 = 0,7.104 Н (700/кгс). Так как Р1<Р, прыжок, скорее всего, закончится весьма благополучно.

2. Человек приземляется, не сгибая ноги в коленях. При расчете примем, что перемещение тела при этом составляет φl = 1 см.

Тогда сила, действующая на голень при столкновении с землей, равна

P2 = 70.10.5/1.10-2 = 3,5 . 104 Н (3500 кгс).

Прыжок в этом случае, к сожалению, закончится плачевно, так как Р2 > Р.

Вот почему при прыжке с заданной высоты ноги следует держать вместе, полусогнутыми. Это относится и к случаю приземления при прыжке с парашютом. Если перед столкновением с землей не удалось развернуться по ветру, то при боковом сносе ни в коем случае нельзя выбрасывать ногу навстречу приближающейся земле, пытаясь избежать падения.

Трудности управления движениями

Управление движениями тела – эта как будто совершенно естественная и сама собою разумеющаяся вещь – оказывается очень сложным процессом, требующим совместного и согласованного участия очень многих физиологических систем и устройств.

Сложность управления опорно-двигательным аппаратом является, по Бернштейну, «многотрудной» задачей.

Первая трудность

Потребность непрерывного распределения внимания между десятками подвижных шарниров, если бы все элементы сложного движения должны были управляться сознательно, с обращением внимания на каждый из них.

Вторая трудность

Необходимость преодоления непомерно огромного избытка степеней подвижности, которыми насыщено тело человека.

Третья трудность

Управление движениями посредством упругих тяг, каковыми являются мышцы опорно-двигательного аппарата человека.

Управление движениями в физиологии называют координацией движений.

Координация движений есть не что иное, как преодоление избыточной подвижности органов движения, то есть превращение их в управляемые системы. Нетрудно дать точное обозначение и тому основному принципу, который позволил природе обеспечить управляемость костно-мышечных двигательных аппаратов, принципу, опирающемуся на контролирование движений органами чувств. Это принцип внесения непрерывных поправок в движение на основании «донесений» органов чувств – то, что на языке артиллеристов называется корректировкой стрельбы. В физиологии его называют принципом сенсорных коррекций. Мышечно-суставная чувствительность является основной и ведущей в преобладающем большинстве случаев управления движениями. Вся совокупность органов этого вида чувствительности собственного тела называется проприоцептивной системой. Чувствительные окончания органов этой системы (рецепторы) рассеяны повсеместно в мышечных пучках, в сухожилиях, в суставных сумках. Они сигнализируют о положении звеньев тела, о суставных углах, о напряжениях в мышцах и т. д. Вся сигнализация этой системы дает мозгу исчерпывающие сведения как о положении всего тела в пространстве, так и о положении и движениях отдельных его частей. Таким образом, основным принципом, который позволил природе преодолеть избыток степеней подвижности и обеспечить управление двигательным аппаратом, является принцип, опирающийся на контролирование движений посредством органов чувств.

Зрение – главенствующий орган чувств у человека – участвует в управлении огромным количеством движений. Это, по преимуществу, точные ручные рабочие операции, метательные движения, требующие прицеливания (стрельба, метания в цель, игровые виды спорта). Осязание соучаствует со зрением в большинстве точных движений тела и его частей в пространстве, а также в большом количестве трудовых операций. Слух мобилизуется в меньшей мере вкупе с другими органами чувств. Но чаще всего бывает очень трудно расчленить роли перечисленных органов чувств в коррекции сложных движений.

Основной принцип, который позволил природе преодолеть избыток степеней подвижности, – контролирование движений посредством органов чувств.

Теги: методика силовой подготовки, Армейский рукопашный бой, самозащита, рукопашный бой, биомеханика, система рукопашного боя, боевые искусства.

    Загрузка...

    Полное библиографическое описание

    Кадочников Алексей Алексеевич — Человек как объект природы // Один на один с врагом: русская школа рукопашного боя. - 2006.Человек как объект природы.

    Посмотреть полное описание