Тренажерные системы в адаптивной физической культуре. Основы биомеханики

Введение в биомеханику и биомеханические особенности строения тела человека

Биомеханика – это наука, которая изучает механические явления в живых системах.

Живые системы и механические явления в них весьма многообразны. К живым системам относятся: различные ткани тела человека (костная, мышечная, соединительная и др.), органы и системы (сердечно-сосудистая, дыхательная, скелетно-мышечная и др.), человек или группа людей и т. п. Механические явления также многообразны. К ним относятся: механические свойства тканей тела человека, механика движения крови по сосудам, механика родового акта и другие. Но чаще всего основным предметом исследования биомеханики является механическое движение животных, в том числе и человека.

Биомеханика как научная область знаний развивается в разных направлениях. Ее знания и методы широко используются в робототехнике, при изучении двигательных действий в условиях производства, в медицине, в космонавтике и т. п. Физическая культура и спорт также нуждаются в знаниях биомеханики.

Основными задачами спортивной биомеханики являются:

1. Изучение техники тренировочных и соревновательных спортивных упражнений.

2. Изучение строения и свойств двигательного аппарата человека.

3. Изучение двигательных способностей человека (силы, быстроты, выносливости и др.).

4. Биомеханическое обоснование конструкции тренажеров и требований по их использованию в тренировочном процессе.

5. Биомеханические аспекты и профилактика спортивного травматизма.

6. Изучение индивидуальных и групповых особенностей движений и двигательных возможностей человека.

Соединение звеньев тела человека и степени свободы

Пассивная часть двигательного аппарата человека включает в себя кости, суставы и связки, образующие скелет человека. В биомеханике его принято рассматривать как многозвенную систему, состоящую из подвижно соединенных твердых звеньев. Известно, что скелет человека состоит из более 200 костей. Для удобства его описания используют такие понятия, как кинематическая пара, кинематическая цепь и степени свободы.

Кинематическая пара – это два звена, соединенные между собой подвижно. Примером кинематической пары является плечо и предплечье,  соединенные локтевым суставом.

Кинематическая цепь – это последовательное или разветвленное соединение кинематических пар. Различают замкнутые и незамкнутые кинематические цепи. Примером замкнутой цепи является последовательное соединение двух ребер, грудины и позвонка в грудной клетке. К незамкнутой кинематической цепи можно отнести безопорную ногу в фазе переноса при ходьбе.

Степени свободы – это количество независимых угловых и линейных перемещений тела. Применительно к телу человека понятие степени свободы характеризует степень подвижности кинематических пар, цепей и всего тела человека. Поскольку в суставах возможны в основном вращательные движения, то степени свободы в них определяются независимыми угловыми перемещениями, количество которых зависит от формы и строения сустава. Так, например, в локтевом суставе имеется две степени свободы (сгибание-разгибание и пронация-супинация), а в тазобедренном суставе – три степени свободы (сгибание-разгибание, отведение-приведение и пронация-супинация). Чтобы определить число степеней свободы в кинематической цепи, нужно сложить степени свободы всех суставов этой цепи. В теле человека насчитывается 244 степени свободы, что свидетельствует о его колоссальной подвижности, а значит, и необходимости управления движениями такой сложной системы.

Биомеханика мышц

Скелетные мышцы являются основными движителями нашего тела. Их количество превышает 600. С биомеханической точки зрения основными показателями их деятельности в организме человека являются сила тяги и скорость изменения длины. Следует подчеркнуть, что мышца может только тянуть, толкать она не может. Именно поэтому для управления движениями в суставах относительно той или иной степени свободы необходимы как минимум две мышцы-антагонисты. Реально их значительно больше, что создает значительные трудности в понимании того, как мозг распределяет степень участия мышц в суставных движениях. Это одна из нерешенных пока проблем организации движений человека, которая в биомеханике получила название «проблема избыточности в управлении мышечной активностью».

Эксперименты на изолированных мышцах животных и человека показали, что сила тяги мышцы складывается из двух составляющих. Одна из них, назовем ее активной составляющей, обусловлена сократительными возможностями мышечной ткани. Другая составляющая силы возникает при растягивании мышцы и обусловлена наличием в ней соединительной ткани, которая ведет себя подобно пружине и способна накапливать энергию упругой деформации при растягивании мышцы. Назовем ее пассивной составляющей силы тяги мышцы. Следует подчеркнуть, что активная сила тяги сопровождается затратами химической энергии, запасенной в мышцах, и, как следствие, приводит к утомлению. Пассивная составляющая силы тяги имеет сугубо механическую природу и не требует затрат химической энергии.

Рассмотрим основные зависимости, раскрывающие сущность механики мышечного сокращения.

На рис. 1 показаны зависимости силы тяги изолированной мышцы от ее длины. Видно, что с увеличением длины мышцы суммарная сила тяги (а) увеличивается, но при этом активная (с) и пассивная (б) составляющие силы изменяются по-разному. Сила упругой деформации (б) нелинейно возрастает с увеличением длины мышцы. Активная сила (с) сначала увеличивается, а затем уменьшается, т. е. максимум силы тяги наблюдается при некоторой оптимальной длине мышцы, которая получила название длина покоя. Отметим, что в зависимости от количества соединительной ткани в мышце характер кривых «сила-длина» и доля вклада активной и пассивной силы в общую силу тяги мышцы изменяются (рис. 1-I, II, и III).

Икроножная мышца                                  Портняжная мышца                              Полусухожильная мышца

Рис. 1.  Зависимость силы тяги мышцы (F) от ее длины (I). Сплошная линия (а) - общая сила тяги; сплошная линия (b) - сила тяги мышцы при ее пассивном состоянии; пунктирная линия (с) - сила тяги сократительных элементов мышцы

Другой классической зависимостью является зависимость силы тяги мышцы от скорости изменения ее длины. Прежде чем ее рассмотреть, напомним основные режимы мышечного сокращения.

Изометрический – режим, при котором сокращение происходит при постоянной длине мышцы.

Преодолевающий – режим сокращения, при котором длина мышцы уменьшается. Этот режим также называют концентрическим или миометрическим.

Уступающий – режим сокращения, при котором длина мышцы увеличивается. Другие названия – эксцентрический или плиометрический.

На рис. 2 приведен график зависимости силы тяги мышцы от скорости изменения ее длины при разных режимах мышечного сокращения. Видно, что наибольшую силу тяги мышца проявляет при уступающем режиме сокращения.

-V                                                                         +V

Рис. 2. Зависимость силы тяги мышцы (F) от скорости изменения ее длины

Причем с ростом скорости растягивания мышцы сила увеличивается, но до определенного предела. Следующим режимом сокращения с точки зрения силовых возможностей мышцы является изометрический режим. Наименьшую силу тяги мышца демонстрирует при преодолевающем режиме сокращения. С чем большей скоростью укорачивается мышца, тем меньшую силу тяги она проявляет.

Взаимодействие человека с окружающей средой, осуществляемое за счет активности соответствующих мышц, происходит через звенья тела, которые в биомеханике рассматриваются как система костных рычагов.

Напомним, что рычаг – это твердое тело, которое может вращаться под действием приложенных сил и служит для передачи силы и работы на расстояние. Выделяют два вида рычагов – одноплечие (рычаг второго рода) и двуплечие (рычаг первого рода). Равновесие или движение рычага определяется соотношением моментов сил, приложенных к нему.

Рассмотрим действие мышц на костный рычаг в кинематической паре. В качестве примера приведем действие мышц-сгибателей предплечья при задании удержать в руке груз массой 10 кг. Чтобы упростить задачу, заменим все мышцы-сгибатели локтевого сустава одной эквивалентной мышцей (рис. 3). Такой прием часто используют в биомеханике. Предположим также, что плечо неподвижно, а предплечье и кисть невесома. Таким образом, в данной системе действуют две силы – сила тяги мышцы (F) и сила тяжести груза (Р). Каждая из этих сил создает момент относительно локтевого сустава. Задание будет выполнено, если момент мышечной тяги будет равен моменту силы тяжести груза. Из равенства моментов сил можно определить силу мышечной тяги, которая в данном примере в десять раз превышает силу тяжести груза. В реальных условиях момент силы мышечной тяги делится между теми мышцами, которые участвуют в его создании.

Рис.3. Условие равновесия рычага и расчет силы тяги мышцы

Проигрыш в силе тяги мышц, характерный для большинства суставов тела человека, отражает весьма важную особенность строения скелетно-мышечной системы. Она состоит в том, что мышцы крепятся очень близко к осям вращения в суставах и как следствие этого имеют малые величины плеч сил. Внешние нагрузки действуют на больших плечах сил. Такое строение приводит к проигрышу в мышечных силах, но к выигрышу в размахе и скорости движения в суставе.

Рис. 4. Зависимость момента силы от угла в локтевом суставе при сгибании предплечья в локтевом суставе

На рис. 4 приведена зависимость силы сгибателей предплечья от угла в локтевом суставе. Видно, что наиболее выгодное положение соответствует углу, близкому к 90°. При увеличении или уменьшении угла момент силы уменьшается.

Основными причинами изменения силовых возможностей человека при изменении угла в суставе являются: 1) изменение плеча силы тяги мышцы; 2) изменение длины мышцы; 3) изменение угла, под которым мышца тянет за кость (рис. 5).

Силу тяги мышцы (Р) можно разложить на две составляющие. Одна из них направлена перпендикулярно предплечью (Я) и создает вращательный момент в суставе. Другая составляющая силы (Р) действует вдоль предплечья и укрепляет сустав, вращательного момента она не создает, поскольку проходит через ось вращения в локтевом суставе.

Рис. 5. Изменение силы тяги двуглавой мышцы плеча (F), составляющих этой силы (Р и К), плеча силы тяги (d) и угла тяги мышцы за предплечье в зависимости от угла в локтевом суставе

Из рисунка видно, что с увеличением угла в суставе длина мышцы увеличивается, а следовательно, увеличивается и сила ее тяги (F) за кость. Однако вращающая составляющая этой силы (К) и плечо силы тяги мышцы (d) изменяются не столь однонаправлено. Наибольшие величины этих показателей соответствуют позе № 3, и поэтому в ней проявляется наибольший момент силы в суставе. Несмотря на то, что в позе № 1 сила тяги мышцы наибольшая, значительная часть ее расходуется на укрепление сустава, а не на поворот звена. Это связано с тем, что мышца тянет под очень острым углом по направлению к предплечью, а значит, составляющая Р будет больше, чем К.

Рассмотренные закономерности действия мышц на костные рычаги характерны для большинства суставов тела человека.

Гораздо более сложные взаимоотношения в действии мышц на костные рычаги наблюдаются в кинематических цепях. Это связано не только с участием в движении большего числа звеньев тела и мышц, но и с тем, что в теле человека довольно много двусуставных мышц, которые в отличие от односуставных мышц обслуживают сразу два сустава. Так, например, прямая мышца бедра разгибает ногу в коленном суставе и сгибает в тазобедренном суставе. Наружная и внутренняя головки трехглавой мышцы голени разгибают стопу в голеностопном суставе и сгибают голень в коленном суставе. Двуглавая мышца плеча сгибает предплечье в локтевом суставе и плечо – в плечевом суставе.

Рис. 6. Зависимость силы давления стопы на опору от угла в коленном суставе при разгибании ноги встатическом положении

На рис. 6 показана зависимость силы давления стопы на опору от угла в коленном суставе при разгибании ноги в статическом положении. Видно, что с увеличением суставного угла сила нелинейно увеличивается и достигает очень больших величин. Показано, что при малых углах в коленном суставе основной вклад в силу давления на опору осуществляют четырехглавые мышцы бедра и ягодичные мышцы. При больших углах в коленном суставе основную роль играют мышцы задней поверхности бедра.

В упражнениях динамического характера действие двусуставных мышц в кинематических цепях существенно отличается от односуставных мышц. Режим сокращения односуставных мышц жестко связан с изменением угла в суставе. Например, при разгибании в коленном суставе односуставные головки четырехглавой мышцы бедра сокращаются в преодолевающем режиме, при сгибании – в уступающем режиме, а при неизменном угле – в изометрическом режиме. Режим сокращения двусуставных мышц зависит от изменения углов в соседних суставах. Например, если одновременно разгибать ногу в тазобедренном и сгибать в коленном суставе, то прямая мышца бедра будет удлиняться и сокращаться в уступающем режиме. Если же в этих суставах происходит сгибание или разгибание, то режим сокращения прямой мышцы бедра будет зависеть от соотношения угловых скоростей в этих суставах.

Экспериментально показано, что действие двусуставных мышц сводится к следующему:

1. Мышцы могут передавать часть мощности и силы от одних звеньев тела к другим.
2. Мышцы  способны  накапливать и затем частично отдавать  энергию  упругой деформации  при  изменении  длины  кинематической  цепи  за  счет  разнонаправленного изменения углов в соседних суставах.
3. Мышцы способны рассеивать (демпфировать) механическую энергию, что особенно важно для уменьшения ударных нагрузок.

В заключение отметим, что знания изложенных выше закономерностей действия мышц необходимо для правильного применения физических упражнений в тренировочном процессе, и особенно в развитии двигательных способностей человека.

 

Биомеханические основы силовых и скоростно-силовых способностей человека.

Понятие о силовых способностях и показатели, их измеряющие

В биомеханике слово «сила» употребляется в двух смыслах. Сила как мера механического взаимодействия тел, т. е. как одна из механических характеристик, и сила как одна из двигательных способностей человека, характеризующаяся его возможностью противодействовать внешним сопротивлениям за счет мышечных усилий.

Способность человека проявлять силу зависит от многих факторов. Знание и учет этих факторов необходимы не только для реализации человеком своих силовых возможностей, но и для правильной организации тренировочного процесса, направленного на их воспитание.

Следует подчеркнуть, что нельзя говорить о силе человека вообще. Ее проявление всегда связано с выполнением того или иного задания. При этом чаще всего показателями силовых способностей являются максимальная сила или момент силы, измеренные каким-либо устройством, или наибольшая масса поднятого груза (гантели или штанги). Используют и другие показатели, такие как импульс силы, работа, мощность и др.

Факторы, определяющие силу действия человека

Перечислим основные факторы, от которых зависит внешне проявляемая сила человека.

Прежде всего, сила зависит от силовых возможностей отдельных мышц, участвующих в выполнении задания. Отсюда становится очевидной необходимость локального воздействия на определенные мышечные группы. Однако следует помнить, что внешне проявленная сила является результатом активности многих мышц, и поэтому совершенствование межмышечной координации при освоении физических упражнений силового характера является необходимым условием развития силы. Довольно часто быстрые темпы прироста силы в начале занятий физическими упражнениями обусловлены овладением рациональными способами их выполнения и совершенствованием межмышечной координации, а не увеличением силы мышц.

На величину проявляемой силы влияет масса груза, против которого действует человек. Чем больше перемещаемая масса, тем большую силу может проявить человек. Поэтому одним из основных способов регулирования нагрузки является выбор соответствующей массы спортивных снарядов (штанги, гантелей и т. п.).

Следующими факторами являются скорость и ускорение, а также режим сокращения мышц. Чем больше скорость суставных движений при преодолевающем режиме сокращения мышц, тем меньшую силу проявляет человек. При уступающем режиме мышечного сокращения с ростом скорости проявляемая сила увеличивается, и при некоторых оптимальных величинах скорости суставных движений спортсмен может проявить максимум своих силовых возможностей. Не менее важным является характер выполнения упражнений с отягощениями – равномерный или ускоренный. Ниже, при обсуждении природы сил сопротивления, будет более подробно рассмотрен этот вопрос.

Способность проявлять максимальную силу в существенной мере зависит от положения тела. С изменением углов в суставах изменяются показатели действия мышц на костные рычаги. Однако изменение положения тела может существенно изменять величину воздействия одних и тех же внешних нагрузок на мышечный аппарат человека за счет изменения плеча внешне действующей силы, а также на вовлечение мышц в выполняемое задание. На рис. 7 показаны три варианта выполнения приседания со штангой на плечах. Видно, что изменение наклона туловища изменяет не только величины моментов сил в суставах, но и их направление.

Рис. 7. Мышечный момент (Мм) в коленных суставах в приседаниях со штангой на плечах (масса снаряда - 80 кг). F – сила тяжести головы, рук, туловища, бедер и штанги; 4 – плечо этой силы

Так, в первой позе туловище сильно наклонено вперед, и, как следствие этого, результирующий момент силы мышц в коленных суставах направлен на их сгибание, т. е. нагружаются мышцы задней поверхности бедра. И наоборот, при небольшом наклоне туловища вперед основная нагрузка ложится на мышцы - разгибатели коленных суставов. Причина в том, что величина и направление момента силы в суставе зависит от момента силы тяжести звеньев тела и штанги, действующих на данный сустав. Несмотря на то, что в рассматриваемом примере суммарная сила тяжести звеньев тела и снаряда не изменяется, плечо этой силы зависит от положения туловища и бедер. Эта сила приложена в общем центре масс всех звеньев тела, которые расположены выше коленных суставов, и штанги. Таким образом, нагрузку можно регулировать не только массой снаряда, но и плечом внешне действующей силы.

Еще одним фактором, влияющим на силовые способности человека, является природа сил сопротивления. Внешние силы, которые приходится преодолевать или использовать в качестве сопротивлений для тренировки силы, могут иметь разную природу. Перечислим их.

1. Сила тяжести и инерционная сила, величины которых определяются массой перемещаемого груза и его ускорением.
2. Сила упругой деформации, величина которой определяется коэффициентом жесткости упругого тела (резины, пружины и т. п.) и степенью его деформации.
3. Сила трения, величина которой зависит от коэффициента трения и силы нормального давления.
4. Сила сопротивления среды.