Биомеханика

Содержание

Лекция 5. Биомеханика опорно-двигательного аппарата человека

автор — Алла Самсонова

5.2. Строение, функции и механические свойства элементов ОДА человека

5.2.1. Кости

Кость – элемент ОДА человека, представляющий собой жесткую конструкцию из нескольких материалов, различных по механическим свойствам. В основном кость состоит из костной ткани, которую сверху покрывает соединительнотканная оболочка – надкостница. Костная ткань образована плотным компактным и рыхлым губчатым веществом. Суставные поверхности кости покрыты суставным хрящом.

Различают механические функции костей скелета (опорную, локомоторную и защитную) ибиологические (участие в минеральном обмене, кроветворную и иммунную). В биомеханике ОДА рассматриваются механические функции костей и связанные с ними механические свойства.

Опорная функция костей связана с их центральным положением внутри каждого сегмента тела человека, которое обеспечивает механическую опору другим элементам ОДА: мышцам и связкам. Кроме того, кости нижних конечностей и позвоночника обеспечивают опору для вышележащих сегментов тела. Скелетные мышцы приводят в движение костные рычаги или обеспечивают сохранение равновесия. Благодаря этому возможно выполнение двигательных действий и статических положений. В этом проявляется локомоторная функция костей. Кости черепа, грудной клетки и таза защищают внутренние органы от повреждений. В этом проявляется защитная функция костей.

Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями. Кости ног и рук состоят из плотной костной ткани. Они продолговатые и трубчатые по строению, что позволяет, с одной стороны, противодействовать значительным внешним нагрузкам, а с другой – более чем в два раза уменьшить их массу и моменты инерции.

Основным механическим свойством костной ткани является прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних сил. Прочность материала характеризуется пределом прочности – отношением нагрузки, необходимой для полного разрыва (разрушения испытуемого образца) к площади его поперечного сечения в месте разрыва.

Различают четыре вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Прочность костной ткани при растяжении составляет от 125 до 150 МПа[2]. Она выше, чем у дуба и почти такая же, как у чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Ее значения равны 170 МПа. Несущая способность костей при изгибе значительно меньше. Например, бедренная кость выдерживает нагрузку на изгиб до 2500 Н. Подобный вид деформации широко распространен, как в обычной жизни, так и в спорте. Например, при удержании спортсменом положения «крест» на кольцах происходит деформация костей верхней конечности на изгиб.

При движениях кости не только растягиваются, сжимаются и изгибаются, но и скручиваются. Прочность кости при кручении составляет 105,4 МПа. Она наиболее высока в 25-35 лет. С возрастом этот показатель снижается до 90 МПа.

Механические нагрузки, действующие на человека при занятиях спортом, превышают повседневные. Чтобы им противостоять, в костях происходит ряд изменений: меняются их форма и размеры а также повышается плотность костной ткани. Так, например, у тяжелоатлетов сильно меняется форма лопатки и ключицы. У теннисистов увеличиваются размеры костей предплечья, у штангистов и метателей диска утолщаются кости бедра, у бегунов и хоккеистов – кости голени, у футболистов – кости стопы (В.И. Козлов, А.А. Гладышева, 1977).

5.2.2. Суставы

Сустав – элемент ОДА, обеспечивающий соединение костных звеньев и создающий подвижность костей друг относительно друга. Суставы являются наиболее совершенными видами соединения костей. У человека их около 200.

Сустав образуют суставные поверхности сочлененных костных звеньев. Между суставными поверхностями имеется суставная полость, в которую поступает синовиальная жидкость. Окружает сустав суставная капсула, состоящая из плотной соединительной ткани.

Основной функцией суставов является обеспечение подвижности костных звеньев друг относительно друга. С этой целью поверхность суставов смачивается синовиальной жидкостью (смазкой), которая выделяется суставным хрящом при увеличении нагрузки на сустав. При уменьшении нагрузки синовиальная жидкость поглощается суставным хрящом. Чтобы компенсировать разрушение суставного хряща при трении в нем постоянно происходят процессы регенерации.

Присутствие синовиальной жидкости обеспечивает низкий коэффициент трения в суставе (от 0,005 до 0,02). Напомним, что коэффициент трения при ходьбе (резина по бетону) составляет 0,75.

Прочность суставного хряща составляет 25,5 МПа. Если давление на суставной хрящ превышает эти показатели, смачивание суставного хряща синовиальной жидкостью прекращается и увеличивается опасность его механического стирания. В среднем и пожилом возрасте выделение синовиальной жидкости в суставную полость уменьшается.

Опорно-двигательный аппарат человека с позиции теории машин и механизмов, можно рассматривать как сложный биомеханизм, состоящий из жестких звеньев (костей) и кинематических пар определенных классов (суставов). С этой точки зрения различают:

Одноосные суставы. Движения в них происходят только вокруг одной оси. Эти суставы обладают одной степенью свободы. В организме человека таких суставов насчитывается 85.

Двуосные суставы. Движения в них происходят вокруг двух осей. Эти суставы обладают двумя степенями свободы. В организме человека 33 двуосных сустава.

Многоосные суставы. Движения в них происходят вокруг трех осей. Эти суставы обладают тремя степенями свободы. В организме человека таких суставов 29.

Для определения числа степеней свободы ОДА человека применяют формулу Сомова-Малышева.

Число степеней свободы для модели тела человека с 148 подвижными звеньями составляет: n = 6 × 148 — 5 × 85 — 4 × 33 — 3 × 29 = 244. Это означает, что для описания положения модели тела человека в каждый момент времени необходимо иметь 244 уравнения.

Для количественных оценок параметров движения важно знать положение мгновенных осей вращения в суставе, так как это влияет на значение плеч сил отдельных мышц. Мгновенные оси вращения в суставах могут смещаться. Это происходит из-за того, что в суставах могут осуществляться три типа движения сочленяющихся поверхностей: скольжение, сдвиг и качение. Возможность таких движений обусловлена тем, что соприкасающиеся суставные поверхности не тождественны по форме.

Под влиянием занятий спортом адаптация суставов ОДА происходит разнонаправленно: в одних суставах подвижность увеличивается, в других – уменьшается. Так, у велосипедистов наибольшая подвижность отмечается в голеностопном суставе и наименьшая – в тазобедренном и плечевом (М.Г.Ткачук, И.А.Степаник, 2020).

5.2.3. Сухожилия и связки

Сухожилие – компонент мышцы, обеспечивающий ее соединение с костью. Основной функцией сухожилия является передача усилия мышц кости. Связки – компонент сустава, обеспечивающий его стабилизацию, посредством удержания костных звеньев в непосредственной близости друг относительно друга.

Сухожилия и связки характеризуются следующими механическими свойствами: прочностью, значением относительной деформации (ε), а также упругостью, которую численно характеризует модуль продольной упругости (модуль Юнга).

Сухожилия состоят из толстых, плотно уложенных в пучки структурных единиц – фибрилл, в состав которых входят коллагеновые волокна. Основное свойство коллагена – высокая прочность на разрыв и небольшая относительная деформация (ε ≈ 10%).

Связки, как и сухожилия, состоят главным образом из пучков коллагеновых волокон, расположенных параллельно друг другу. Однако в отличие от сухожилий в состав связок входит достаточное большое количество волокон эластина. Эластин – упругий белок, который может очень сильно растягиваться (относительная деформация составляет 200-300%).

Механические свойства сухожилий и связок зависят от их размеров и состава. Чем больше поперечное сечение и больший процент коллагеновых волокон – тем выше прочность. Чем связка длиннее, и чем больше в ней волокон эластина – тем большей значение относительной деформации.

Прочность сухожилий составляет 40-60 МПа, а связок – 25МПа. Следует заметить, что предел прочности каната из хлопка на растяжение составляет 30-60 МПа.

На прочность связок и сухожилий влияет уровень гормонов. Доказано, что систематическое введение гормонов может привести к значительному уменьшению их прочности. Значительно снижает прочность связок и сухожилий иммобилизация. И, наоборот, при исследовании животных была найдена связь между уровнем физической активности и прочностью сухожилий и связок. Доказано, что в подавляющем большинстве случаев прочность сухожилий более высока, чем прочность их прикрепления к костям. Поэтому при травмах сухожилий они не разрываются, а отрываются от места прикрепления. Следует учитывать также, что в процессе тренировок прочность сухожилий и связок увеличивается сравнительно медленно. При форсированном развитии скоростно-силовых качеств мышц может возникнуть несоответствие между возросшими скоростно-силовыми возможностями мышечного аппарата и недостаточной прочностью сухожилий и связок. Это грозит потенциальными травмами (А.С. Аруин, В.М. Зациорский, В.Н. Селуянов, 1981).

Модуль Юнга (Е) численно равен напряжению, увеличивающему длину образца в два раза. Модуль Юнга для костной ткани составляет 2000МПа, а сухожилия – 160МПа. Материал коллаген характеризуется значением модуля Юнга равным 10-100 МПа, а эластин – 0,5 МПа. Следует отметить, что значение модулем Юнга для резины составляет 5МПа, а для древесины – 1200 МПа (В.И. Дубровский, В.Н. Федорова, 2003).

Связки и сухожилия характеризуются нелинейными свойствами – модуль упругости изменяется по мере изменения их длины.

5.3. Биомеханические свойства и особенности строения ОДА человека

На биомеханические свойства ОДА человека оказывают влияние особенности его строения.

Во-первых, костные звенья и соединяющие их суставы представляют собой рычаги. Это означает, что результирующее действие мышцы при вращательных движениях, каковыми являются движения звеньев тела в организме человека, определяется не силой, а моментом силы (произведением силы тяги мышцы на ее плечо). Момент силы мышцы будет максимальным, если в фазы движения, соответствующие максимальным значениям силы мышц, будут достигаться максимальные значения плеч сил мышц. Однако изучение изменения длины и плеча силы тяги при выполнении двигательных действий показало (И.М. Козлов, 1984), что опорно-двигательный аппарат человека и животных устроен так, что у большинства односуставных мышц (мышц, обслуживающих движения в одном суставе) уменьшение длины мышцы (падение силы тяги) компенсируется увеличением плеча силы. Это позволяет сохранить значение суставного момента постоянным на протяжении значительного диапазона изменения длины мышцы. Для двусуставных мышц (мышц, обслуживающих движения в двух суставах) уменьшение плеча силы тяги в одном сочленении сопровождается увеличением этого параметра относительно другого сустава.

Во-вторых, ОДА человека и животных устроен таким образом, что сила мышцы, как правило, приложена на более коротком плече рычага. Поэтому мышцы, действующие на костные рычаги, почти всегда имеют проигрыш в силе, однако выигрывают в перемещении и скорости (Н.Б. Кичайкина с соавт., 2008).

Лучшее тату за этот год:  Татуировки Мужчина с собакой в стиле Реализм, Портретизм, Черно-Серая Голень

Третья особенность функционирования ОДА человека и животных проявляется в том, что мышцы, обеспечивающие движения в суставах могут только тянуть, но не толкать. Поэтому для того, чтобы осуществлять движения в противоположных направлениях, необходимо, чтобы движение звеньев тела осуществлялось мышцами-антагонистами. Следует отметить, что мышцы-антагонисты обеспечивают не только движения звеньев тела в различных направлениях, но также и высокую точность двигательных действий. Это связано с тем, что звено необходимо не только привести в движение, но и затормозить в нужный момент времени.

Четвертой особенностью строения ОДА человека и животных является наличие мышц-синергистов. Наш опорно-двигательный аппарат устроен таким образом, что перемещение костных звеньев в одном направлении может осуществляться под действием различных мышц. Мышцы-синергисты перемещают звенья в одном направлении и могут функционировать как вместе, так и по отдельности. В результате синергетического действия мышц увеличивается их результирующая сила. Если же мышца травмирована или утомлена ее синергисты обеспечат выполнение двигательного действия.

Пятой особенностью строения ОДА человека и животных является наличие мышц, обладающих различной структурой: с параллельным и перистым ходом мышечных волокон. Установлено, что мышцы, имеющие параллельный ход мышечных волокон выигрывают в скорости сокращения, по сравнению с перистыми мышцами. Однако мышцы, обладающие перистым строением, дают выигрыш в силе. Поэтому антигравитационные мышцы – то есть мышцы, противодействующие силе тяжести, расположенные на нижней конечности имеют перистую структуру.

5.4. Биомеханика мышц

5.4.1. Виды работы мышц и режимы мышечного сокращения

Различают два вида работы мышц:

  • статическая (звенья ОДА фиксированы, движение отсутствует);
  • динамическая (звенья ОДА перемещаются относительно друг друга).

Различают три режима мышечного сокращения:

  • изометрический – режим мышечного сокращения, при котором момент силы мышцыравенмоменту внешней силы (длина мышцы не изменяется). Изометрический режим соответствует статической работе.
  • преодолевающий (концентрический) – режим мышечного сокращения, при котороммомент силы мышцы больше момента внешней силы (длина мышцы уменьшается).
  • уступающий (эксцентрический) – режим мышечного сокращения, при котором момент силы мышцы меньше момента внешней силы (длина мышцы увеличивается).

Преодолевающий и уступающий режимы соответствуют динамической работе. Тренировка с использованием различных режимов мышечного сокращения может привести к различным тренировочным эффектам. Так, использование уступающего режима мышечного сокращения по сравнению с преодолевающим, приводит к большей гипертрофии скелетных мышц.

5.4.2. Биомеханические свойства мышц

Биомеханические свойства скелетных мышц – это характеристики, которые регистрируют при механическом воздействии на мышцу.

К биомеханическим свойствам мышц относят: сократимость, жесткость, вязкость, прочность и релаксацию.

Сократимость

Сократимость – способность мышцы укорачиваться при возбуждении, в результате чего возникает сила тяги.

Установлено, что во время сокращения (укорочения) мышцы длина толстого и тонкого филаментов не изменяется. При этом неизменной особенностью сокращения является центральное положение толстого филамента в саркомере, посередине между Z-линиями, рис.5.1.

Исходя из этих наблюдений, была выдвинута «теория скользящих нитей». В соответствии с этой теорией изменение длины саркомера обусловлено скольжением толстого и тонкого филаментов относительно друг друга (H.E. Huxley, J. Hanson., 1954; A.F. Huxley R. Niedergerke, 1954). Процесс сокращения происходит следующим образом. При активации мышцы, прикрепленные к противоположным Z-мембранам тонкие филаменты скользят вдоль толстых. Скольжение происходит благодаря наличию выступов (головок) на нитях миозина, получивших название поперечных мостиков. Так как при сокращении мышцы расстояние между Z-мембранами уменьшается, происходит уменьшение длины мышцы. В виду того, что саркомер представляет собой не плоскую, а объемную структуру, при сокращении мышцы происходит не только уменьшение ее длины, но и увеличение ее поперечного сечения (когда тонкие нити втягиваются в толстые).

Установлено, что зависимость сила, развиваемая саркомером, зависит от его длины. Выявлено, что существуют критические значения длины саркомера, при которых развиваемая им сила падает до нуля. Первое критическое значение длины саркомера равно 1,27 мкм. Оно соответствует максимальному укорочению мышцы. В этом состоянии мышцы регулярность расположения нитей нарушается, они искривляются. Второе критическое значение длины равно 3,65 мкм. Оно соответствует максимальному удлинению мышцы (перекрытия толстых и тонких филаментов нет). Если длина саркомера больше 1,27 мкм и меньше чем 3,65 мкм, значение силы отличается от нуля. При длине саркомера от 1,67 до 2,25 мкм, он развивает максимальную силу.

Существует предельное значение длины саркомера, при котором происходит его разрыв. Это значение равно 3,60 мкм. Чтобы не произошел разрыв, при растягивании мышечных волокон защитную функцию берет на себя соединительный филамент – титин. Благодаря своим упругим свойствам, он предотвращает чрезмерное растяжение саркомера (М.Дж.Алтер, 2001).

Жесткость

Жесткость – характеристика тела, отражающая его сопротивление изменению формы при деформирующих воздействиях (В.Б. Коренберг, 2004). Чем больше жесткость тела, тем меньше оно деформируется под воздействием силы. Жесткость тела характеризуется коэффициентом жесткости (k). Жесткость линейной упругой системы, например пружины, есть величина постоянная на всем участке деформации.

В отличие от пружины мышца представляет собой систему с нелинейными свойствами. Это связано с тем, что структура мышцы очень сложна. Возникающая в мышце сила упругости не пропорциональна удлинению. Вначале мышца растягивается легко, а затем даже для небольшого ее растяжения необходимо прикладывать все большую силу. Поэтому часто мышцу сравнивают с трикотажным шарфом, который вначале легко растягивается, а затем становится практически нерастяжимым. Иными словами, жесткость мышцы с ее удлинением возрастает. Из этого следует, что мышца представляет собой систему, обладающую переменной жесткостью. Установлено, что жесткость мышцы в активном состоянии в 4-5 раз больше жесткости в пассивном состоянии. Коэффициент жесткости мышц варьирует от 2000 до 3000 Н/м.

Вязкость

Помимо жесткости мышца обладает еще одним важным свойством – вязкостью. Вязкость – свойство жидкостей, газов и «пластических» тел оказывать неинерционное сопротивление перемещению одной их части относительно другой (смещение смежных слоев). При этом часть механической энергии переходит в другие виды, главным образом в тепло. Это свойство сократительного аппарата мышцы вызывает потери энергии при мышечном сокращении, идущие на преодоление вязкого трения. Предполагается, что трение возникает между нитями актина и миозина при сокращении мышцы. Кроме того, трение возникает между возбужденными и невозбужденными волокнами мышцы (мышечные волокна различных типов расположены в мышце в виде мозаики) из-за наличия соединения мышечных волокон коллагеновыми фибриллами. Поэтому, если возбуждены все мышечные волокна, трение должно уменьшаться. Показано, что при сильном возбуждении мышцы, ее вязкость резко снижается (Г.В. Васюков,1967).

Мышца, обладающая большей вязкостью, будет характеризоваться большей площадью «петли гистерезиса». Вы знаете, что при выполнении физических упражнений температура мышц повышается. Повышение температуры мышц связано с упруговязкими свойствами мышцы и с потерями энергии мышечного сокращения на трение. Разогрев мышц (разминка) приводит к тому, что вязкость мышц уменьшается.

Прочность

Предел прочности мышцы оценивается значением растягивающей силы, при которой происходит ее разрыв. Установлено, что предел прочности для миофибрилл равен 16-25 КПа, мышц – 0,2-0,4 МПа, фасций – 14 МПа. Долгое время считалось (Е.К. Жуков, 1969; В.М. Зациорский, 1979), что неизменность длины мышцы при ее работе в изометрическом режимесвязана с растяжением сухожилий, однако А.А. Вайном (1990) было указано на то, что прочность сухожилий (предел прочности сухожилий равен 40-60 МПа) значительно превосходит прочность мышечных волокон. Поэтому в латентный период возбуждения мышцы сухожилия практически не изменяют своей длины, и, следовательно, неизменной остается длина мышечных волокон и жестко связанных с ними миофибрилл. Это возможно в том случае, если одни, более слабые элементы миофибрилл (саркомеры) будут растягиваться, а другие, более сильные – укорачиваться.

Релаксация

Релаксация мышц – свойство, проявляющееся в уменьшении с течением времени силы мышцы при ее постоянной длине.

Для оценки релаксации используют показатель – длительность релаксации (τ), то есть промежуток времени, в течение которого сила мышцы уменьшается в е[3] раз от первоначального значения. Многочисленными исследованиями установлено, что высота выпрыгивания вверх с места зависит от длительности паузы между приседанием и отталкиванием. Чем больше эта пауза, то есть чем больше длительность работы мышцы в изометрическом режиме, тем меньше ее сила и как следствие – высота выпрыгивания.

Биомеханика на тренировках в тренажёрном зале.

Спортивная биомеханика — это область науки, которая занимается совершенствованием техники выполнения упражнений и повышением эффективности тренировки.

Ее роль также заключается в разработке тренировочного оборудования с использованием принципов общей биомеханики. Как выглядит её практическое действие? Какова важность биомеханики на тренировках в тренажерном зале?

Биомеханика на тренировке

Биомеханика в тренажерном зале используется практически на каждом шагу.

  • Каждое движение, каждый подъем или выжимание веса следует определенным принципам биомеханики. Именно она определяет, как выполнять упражнение, чтобы дать мышцам как можно больше преимуществ.
  • Продуктами этой науки являются, например, все тренажеры, которые обеспечивают лучший стимул во время тренировки.

Биомеханика и кинематика

Кинематика, динамика и статика — это компоненты, которые создают механику. Это, в свою очередь, является основой биомеханики не только в спортзале.

  • Основной темой кинематического исследования является изменение положения тела в пространстве, т. е. описание его движения. Каждая физическая активность основана на серии последовательных движений. Таким образом, биомеханика человека является неотъемлемой частью спорта.
  • Как и любая наука, биомеханика использует определенные специализированные термины, принципы и методы исследования.

Определяя положение тела и его отдельных частей, вы должны получить некоторые знания об осях и плоскостях движения тела, которые определяются так называемым анатомическим расположением человека.

Существуют три основные плоскости, которые пересекаются в центре тяжести тела под прямым углом. Это:

  • фронтальная плоскость,
  • сагиттальная плоскость,
  • поперечная плоскость.

В дополнение к вышеуказанным плоскостям существуют также три оси, определяющие их пересечения. Это в свою очередь:

  • вертикальная ось (пересечение сагиттальной и фронтальной плоскостей),
  • сагиттальная ось (пересечение сагиттальной и поперечной плоскостей),
  • поперечная ось (пересечение передней и поперечной плоскостей).

Кинематические цепи

Кинематическая цепь представляет собой комплексную систему движения, основанную на сочетании нескольких последовательно соединенных суставов. Кинематические цепи делятся на замкнутые и открытые.

Первая из них, замкнутая, характеризуется стабилизацией дистального сегмента конечности или использованием большого сопротивления, которое значительно затрудняет или даже предотвращает движение. Примерами таких замкнутых упражнений являются:

  • становая тяга,
  • приседания,
  • отжимания,
  • подтягивание на турнике.

Открытая кинематическая цепь основана на большей свободе движения определенной части тела в пространстве. Движение осуществляется с большим диапазоном и может проходить уже с большей скоростью, но за счет стабилизации корпуса. Примеры упражнений:

  • боковые подъёмы гантелей,
  • разгибание рук с гантелями из-за головы стоя,
  • сгибание рук с гантелями стоя.
Лучшее тату за этот год:  Митя Волков - тату мастер Волгоград

Более безопасными кинематические цепями являются замкнутые, поскольку они увеличивают силу сжатия за счет поперечной силы в суставах.

Сила, мощность и скорость в биомеханике

Биомеханика движения основана на механике. Следующим компонентом механики является динамика, которая определяет силу, которая способствуют созданию движения. Она основан на трех принципах динамики, сформулированных Исааком Ньютоном.

  • В спорте наиболее востребован второй принцип динамики Ньютона, который относится к скорости и силе. В нем говорится, что произведение массы тела на его ускорение равно действующей на него силе. Поэтому увеличение скорости движения требует больших усилий.
  • Перенося приведенный выше принцип динамики на тренировку с отягощениями, можно заметить, что силовой тренинг оказывает положительное влияние на увеличение скорости.
  • Ссылаясь на компоненты, которыми являются сила и скорость, вы можете легко определить мощность, потому что это производная обоих значений. Основываясь на многочисленных тестах, было установлено, что максимальная мощность активируется при 1/3 максимальной скорости сокращения мышц.

Рычаги в биомеханике

Человеческое тело — одно из величайших рычагов.

  • Удельная активность может быть выполнена работой мышц, работая мышцы, которые связывают вас с чем-либо на определённом расстоянии от суставов.
  • Чем больше расстояние, тем больший рычаг создаёт сустав.

Количество рабочей силы и энергии, воспроизводимых во время движения, увеличивается с увеличением длины рычага.

Функциональные группы и закон взаимного торможения

Функциональные группы определяются как разделение мышечных групп в зависимости от их участия в отдельных движениях. Существует три категории функциональных мышечный групп:

  1. Мышцы агонисты.
  2. Мышцы антагонисты.
  3. Мышцы синергисты.

Закон взаимного торможения — это закон, существующий в биомеханике. Определяет отношение мышц агонистов к антагонистам. Этот закон определяет, что напряжение мышцы агониста вызывает расслабление мышцы антагониста.

Биомеханика на тренировках в тренажерном зале

Оказывается, создание тренировочного плана для тренажерного зала не такая простая задача, как кажется. Сама тренировка должна быть эффективной, должна быть хорошо продумана и построена.

Биомеханика человека — это дисциплина, благодаря которой становится легче и быстрее достигать тренировочных целей. Именно она определяет, как тренироваться для достижения определенных результатов. При разработке программ тренировок и выполнения упражнений стоит взглянуть на них с биомеханической точки зрения.

Биомеханика тела

1. Понятие биомеханике тела

2. Виды транспортировки больных в лечебные отделен

1. движение живого.

2. раздел естественных наук, изучающий на основе моделей и методов механики механические свойства живых тканей, отдельных органов и систем, или организма в целом, а также происходящие в них механические явления.

Биомеханические исследования охватывают различные уровни организации живой материи: биологические макромолекулы, клетки, ткани, органы, системы органов, а также целые организмы и их сообщества. Чаще всего, объектом исследования этой науки, является движение животных и человека, а также механические явления в тканях, органах и системах. Под механическим движением понимается движение всей биосистемы в целом, а также движение отдельных частей системы относительно друг друга — деформация системы. Все деформации в биосистемах, связаны с биологическими процессами, которые играют решающую роль в движениях животных и человека. Это сокращение мышцы, деформация сухожилия, кости, связок, фасций, движения в суставах. Отдельным направлением биомеханики является — биомеханика дыхательного аппарата, его эластичное и неэластичное сопротивление,кинематика(то есть геометрическая характеристика движения) и динамика дыхательных движений, а также другие стороны деятельности дыхательного аппарата в целом и его частей (лёгких, грудной клетки); биомеханика кровообращения изучает упругие свойства сосудов и сердца, гидравлическое сопротивление сосудов току крови, распространение упругих колебаний по сосудистой стенке, движение крови, работу сердца и др. Биомеханика человека — наука комплексная, она включает в себя самые разнообразные знания других наук, таких как: механика и математика, функциональная анатомия и физиология, возрастная анатомия и физиология, педагогика и теория физической культуры.

Биомеханика движения человека

Биомеханика стопы человека

Что это за наука и зачем она нужна

Биомеханика (греч. bios – жизнь + mechanike – механика) изучает движения тела, конечностей, связок, тканей и т. п. методами точных наук. Это новое направление в медицине появилось относительно недавно — в 1970-е годы. Далеко не последнюю роль сыграла возросшая популярность бега. Появившиеся у легкоатлетов проблемы с ногами, а также новые технологии, позволившие отслеживать и изучать нагрузки, которым подвергается стопа, дали ортопедам основание утверждать, что многие заболевания позвоночника и суставов вызваны именно дисфункцией стоп.

Биомеханика появилась как надстройка над накопленными знаниями по физике, химии, медицине, физиологии, эргономике и некоторым другим областям. Изучая естественные движения человека — во время танцев, бега, ходьбы — можно не только их совершенствовать (вспомним грациозные па балерин, отточенные телодвижения спортсменов), но и понять причины нарушений механики и возникающих из-за этого проблем с ногами.

Считается, что походка марафонцев близка к идеальной с точки зрения функциональности и соответствия анатомической норме.

Движение стопы в шаговом цикле

Наша двигательная активность состоит из шагов. Полноценный шаговый цикл состоит из двух фаз — опоры (подошва контактирует с поверхностью) и переноса (ступня находится в полете). Большую часть времени — около 65% цикла каждая нога находится в соприкосновении с поверхностью (землей, полом и т. п.).

Фазу опоры можно разделить на более короткие периоды:

  • контактный — с момента, когда пятка начинает соприкасаться с землей до полной постановки подошвы (пятка принимает 100% нагрузки);
  • опорный, когда ступня полностью стоит на поверхности (67% нагрузки приходится на пятку, 27% на передний отдел стопы);
  • пропульсивный — с момента, когда начинает отрываться пятка, до момента, когда мысок отталкивается от опоры (100% нагрузки на пальцы ног). Самая большая нагрузка на ступню происходит в опорный период.

Нас с детства учат ходить с пятки на носок. Но на самом деле всё немного сложнее. В контактный и опорный периоды — во время переката стопы — ступня имеет несколько точек опоры. Сначала мы приземляемся на основание пяточной кости (она самая широкая, так как принимает на себя всю тяжесть), затем удар принимает на себя основание пятой плюсневой косточки, головка этой же косточки, потом головка первой плюсневой косточки и последняя опорная точка — большой палец ноги.

Нарушение биомеханики стопы

Ранее мы уже выяснили, что стопы имеют важное предназначение для нашего тела [ссылка на функции стопы 40]. Малейшие отклонения в биомеханике движения приводят к перегрузке тех или иных отделов стопы и их неправильному функционированию. Суставы стопы пытаются компенсировать неправильную работу друг друга и излишнюю нагрузку на себя, что приводит к воспалению. Мышцы и сухожилия начинают сокращаться неправильно, и воспалительный процесс распространяется на другие суставы. Сначала страдают ступни, коленные суставы, затем позвоночный столб, а больной позвоночник грозит серьезными осложнениями для всего организма.

Ортопеды называют две основные причины нарушения биомеханики стопы человека: отклонения пронации и отклонения супинации. Пронация — это движение, при котором внешний край стопы поднимается с поворотом подошвы кнаружи. При супинации же, наоборот, поднимается внутренний край стопы, а подошва поворачивается кнутри. 98% заболеваний ног, помимо травм и нервно-мышечных патологий, вызваны неправильной пронацией. Справедливости ради стоит отметить, что биомеханические нарушения до поры до времени могут оставаться незамеченными, пока человек не начинает испытывать физические нагрузки (например, при занятиях спортом), носить неудобную обувь, набирать избыточный вес.

Вернемся к точкам опоры. Если во время пронации в опорный период происходит какое-либо смещение в любой из них, то возникает чрезмерное напряжение в этом месте. Срабатывает защитный механизм — деформируются кости, уплотняются ткани, формируются натоптыши и мозоли. Масса тела распределяется по стопе неравномерно, и отголоски этого можно почувствовать в разных частях тела.

Как исправить отклонения в биомеханике

В большинстве случаев для решения проблемы достаточно устранить ее причину. Задача ортопеда заключается в корректной диагностике заболевания и выяснении, на каком конкретно этапе шагового цикла происходит сбой. После того как установлено, какой участок ступни испытывает чрезмерную перегрузку, лечение сводится к равномерному перераспределению давления по поверхности подошвы. Делается это с помощью ортопедических стелек или специальной ортопедической обуви. Для того чтобы терапевтический эффект был достигнут, необходим индивидуальный подбор вставок, корректирующих положение стопы.

Существует также ряд вспомогательных мероприятий, облегчающих симптоматику при воспалении суставов, это массаж ног, ходьба по массажному коврику, ванночки для стоп, физиотерапия (УВТ, озонотерапия, грязевые апликации), гимнастика. Регулярное выполнение этих процедур значительно улучшает состояние стоп и уменьшает болевой синдром.

Эти рекомендации действуют только в том случае, если воспалительный процесс и деформация суставов стопы не зашли слишком далеко. Если ходьба становится затруднительной, например, из-за бурсита первого пальца (так называемая косточка на большом пальце), то требуется хирургическое вмешательство. Но такие сложные ситуации, как правило, развиваются не один год. Если вовремя прислушаться к своему организму и предпринять соответствующие меры, то негативные явления можно заморозить на долгое время. Будьте здоровы!

Биомеханика

около 9 часов в неделю

понадобится для освоения

3 зачётных единицы

для зачета в своем вузе

В курсе «Биомеханика» рассматриваются механические свойства живых тканей органов и организма в целом, а также механические процессы, происходящие в них в ходе жизнедеятельности.

О курсе

Цель онлайн курса

— сформировать представление о биомеханических системах как конструкциях сложной структуры, свойств и формы, подчиняющихся не только общим законам механики, но и имеющих свою специфику для тканей и органов в силу их гетерогенного, анизотропного строения на основе высокомолекулярных соединений и водных растворов.

— определение специфики опорно-двигательной системы человека в силу множественности степеней свободы, переменной активации мышц-приводов, сложного строения суставов-шарниров и связочного крепления их звеньев с мнимыми осями вращения; нелинейных реакциях на нагрузки различной модальности и диапазоны величин; модальной активацией и утилизацией степеней свободы кинематической схемы тела.

— показать, что все системы организма работают во взаимодействии, симультанно, формируя синкинезии и синэргии при организации координированной целенаправленной деятельности.

Формат

Курс представлен лекционными материалами в виде текстов и презентаций, а также, в виде видеороликов. В содержание курса входят тестовые материалы и глоссарий по каждой лекции.

Информационные ресурсы

  • Биомеханика. Бегун П.И.
  • Биомедицинское материаловедение: Учебное пособие для вузов/С. П. Вихров, Т. А. Холомина, П. И. Бегун, П. Н. Афонин — М.: Горячая линия-Телеком, 2006-383 с.: ил.
  • Медицинская биофизика: учебник для вузов/В.О.Самойлов.-3-е изд., испр. и доп.-СПб.:СпецЛит,2020.-591 с.: ил.

Требования

Прослушаны курсы биологии, анатомии, высшей математики и физики.

Программа курса

Модуль 1. Реакции биологических тканей на механические воздействия.

Лучшее тату за этот год:  Татуировки Взгляд из треугольника в стиле Черно-Серая Предплечье

Тема 1. Строение биологических тканей.

Тема 2. Реакции биологических тканей на внешние воздействия.

Модуль 2. Биомеханика различных систем организма

Тема 3. Биомеханика сосудистой системы.

Тема 4. Биомеханика сердца.

Тема 5. Биомеханика дыхательных путей.

Тема 6. Биомеханика опорно-двигательного аппарата.

Модуль 3. Биомеханика органов чувств.

Тема 7. Биомеханика слухового аппарата.

Тема 8. Биомеханика зрительного аппарата.

Модуль 4. Биомеханика заменителей биологических тканей и протезов органов.

Тема 9. Биомеханика тканевых заменителей.

Тема 10. Биомеханика протезов органов.

МОДУЛЬ 5. Подготовка к итоговой аттестация.

МОДУЛЬ 6. Итоговая аттестация

Результаты обучения

В результате обучения студент должен

знать: строение и функции различных органов и систем организма человека, компьютерные методы моделирования элементов органов и тканей организма в норме и при патологии, оптимальные принципы, управляющие жизнедеятельностью живых тканей в различных стадиях жизни человека; уметь: пользоваться математическими моделями различных органов и тканей организма человека с учетом процесса роста и адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды,

владеть: первичными навыками использования современного программного обеспечения для построения 3D- моделей элементов органов и тканей организма

Формируемые компетенции

— способность использовать фундаментальные законы природы и основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности
— способность применять методы математического анализа, моделирования, оптимизации и статистики для решения задач, возникающих в ходе профессиональной деятельности
— способность применять современные информационные технологии, пакеты прикладных программ, сетевые компьютерные технологии и базы данных в предметной области для расчета технологических параметров

Биомеханика как наука о движениях человека.

Предмет науки раскрывает, что именно и с какой целью изучается.

Биомеханика — наука о законах механического движения, в живых системах.

В самом широком смысле к живым системам (биосистемам) относят: а) целостные организмы (например, человек); б) их органы и ткани, а также жидкости и газы в них (внутриорганизменные системы) и даже в) объединения организмов (например, совместно действующая пара акробатов, противодействующие борцы).

Биомеханика спорта как учебная дисциплина изучает движения человека в процессе физических упражнений- Она рассматривает дви­гательные действия спортсмена как системы взаимно связанных ак­тивных движений (объект познания). При этом исследуют механические и биологические причины движений и зависящие 6т них (особенности двигательных действий в различных условиях.

Для лучшего понимания сути и роди механического движения человека рассмотрим основные понятия о движении вообще и о движениях организмов (например, человека) в частности.

Механическое движение в живых системах проявляется как а) передвижение всей биосистемы относительно ее окружения (среды, опоры, физических тел) и б) деформация самой биосистемы — пе­редвижение одних ее частей относительно других. Основные законы механики Ньютона описывают движение абс­трактных абсолютно твердых тел, которые не деформируются. Таких (тел в природе не существует. Но в так называемых твердых телах Деформации бывают столь малы, что их нередко можно и не учиты­вать. В живых же системах существенно изменяется относительное расположение их частей. Эти изменения и есть движения человека. Сами части живых систем (например, позвоночный столб, грудная клетка) также подчас существенно деформируются. Поэтому, изучая движение живой системы, имеют в виду, что работа сил тратится и на передвижение тела в целом, и на деформации. При этом всегда имеются потери энергии, ее рассеяние. Чисто механического движения вообще в природе не существует. Оно всегда сопровождается пре­вращениями механической энергии в другие виды (например, в тепловую) и ее потерями.

Механическое движение человека, изучаемое в биомеханике спорта, Происходит под воздействием внешних механических сил (тяжести, трения и многих других) и сил тяги мышц. Последние же управляются центральной нервной системой и, следовательно, обусловлены физио­логическими процессами. Поэтому для достаточно полного понимания природы живого движения необходимо не только изучение собственно механики движений, но и рассмотрение их биологической стороны. Именно она определяет причины организации механических сил.

Надо знать, что не существует особых законов механики для живого мира. Но насколько живые системы отличаются от абстра­ктных абсолютно твердых тел, настолько же механическое движение живого сложнее движения абсолютно твердого тела. Следовательно, применяя общие законы механики к живым объектам, необходимо учитывать не только их механические особенности, но и биологические (например, причины приспособления движений человека к условиям, пути совершенствования движений, влияние утомления).

Особенности механического движения человека

Двигательная деятельность человека осуществляется в виде двигательных действий, которые организованы из многих взаимо­связанных движений (системы движений).

Двигательная деятельность человека — одно из сложней­ших явлений в мире. Она сложна не только потому, что очень непросты функции органов движения, а еще и потому, что в ней участвует созна­ние как продукт наиболее высокоорганизованной материи — мозга. Поэтому двигательная деятельность человека существенно отличается от деятельности животных. В первую очередь речь идет об осознанной целенаправленной активности человека, о понимании смысла ее, о возможности контролировать и планомерно совершенствовать свои движения. Сходство между движениями животных и человека имеется только на чисто биологическом уровне. При помощи двигательной деятельности человек в процессе физического воспитания активно преобразует свою собственную природу, физически совершенствуется. Он преобразует мир, используя возможности научно-технического прогресса, в конечном счете также посредством двигательной дея­тельности (действия, речь, письмо и т. п.). Двигательная деятельность человека складывается из его действий.

Двигательные действия осуществляются при помощи произ­вольных активных движений, вызванных и управляемых работой мышц. Человек произвольно, по собственной воле, начинает движения, изменяет их и прекращает, когда цель достигнута (И. М. Сеченов). В норме человек производит не просто движения, а всегда действия — утверждал создатель отечественной школы биомеханики Н, А. Берн-штейн. Действия человека всегда имеют цель, определенный смысл. Еще Ньютон поставил вопрос «каким образом движения тел следуют воле?», т. е. достигают поставленной цели. Но только в наше время начинают разрабатывать механику целенаправленных (произвольных) движений человека, исходя из цели движений.

Движения отдельных частей тела объединены в управляемые системы движений, целостные двигательные акты (например, гимна­стические упражнения, способы передвижения на лыжах, приемы игры в баскетбол). В системы движений входит также и активное сохранение положений отдельных частей тела (в суставах), а иногда и всего тела. Каждое движение выполняет свою роль в целостном действии, так или иначе соответствует цели действия. Если спортсмен будет находить и осуществлять цель в каждом движении, то и действия будут лучше Приводить к ней.

Хотя причины движений в биомеханике и рассматриваются с точки фения механики и биологии, их закономерности надо брать во взаимосвязи, учитывая роль человеческого сознания в целенаправленном управлении движениями. Именно взаимосвязь механических и биологических закономерностей позволяет раскрыть специфику биомеханики. Сознательное управление движениями с использованием этой специфики обеспечивает их высокую эффективность в различных условиях исполнения.

Биомеханика

ФГБОУ ВПО «Национальный государственный университет физической культуры, спорта и здоровья им. П.Ф.Лесгафта, Санкт-Петербург»

Программа вступительных испытаний

по специальности.

Направление подготовки «МАТЕМАТИКА и МЕХАНИКА»

Программа – «Биомеханика»

Объемные требования для вступительного экзамена

  1. Биомеханика в России как учебная и научная дисциплина.
  2. История биомеханики: предпосылки появления биомеханики в IXX и XX веках.
  3. Вклад русских ученых в развитие биомеханики
  4. Основные направления в развитии современной биомеханики.
  5. Предмет биомеханики.
  6. Цели и задачи биомеханики.
  7. Законы Ньютона и их проявление в движениях живых объектов.
  8. Теоремы динамики, их использование при анализе движений, например, при исследовании прыжка.
  9. Теорема динамики об изменении кинетической энергии тела при поступательном движении.
  10. Внешние и внутренние силы в движениях человека: сила инерции, сила реакции (показать на рисунке).
  11. Силы внешние и внутренние по отношению к телу человека: сила трения, сила упругости.
  12. Обратная задача динамики: определение скорости движения точки по промеру – записать алгоритм расчета.
  13. Биомеханические методы исследования движений: кино- и видеосъемка.
  14. Биомеханические методы исследования. Методики измерения кинематических характеристик движения.
  15. Биомеханические методы исследования: инструментальные методики исследования динамических характеристик движения.
  16. Как рассчитать полную силу отталкивания тела в какой-то момент по промеру?
  17. Тензодинамографический метод. Алгоритм исследования прыжка: определение высоты прыжка.
  18. Тензодинамографические методы исследования отталкивания: найти скорость вылета тела от опоры по тензодинамограмме.
  19. Анализ дыхательной функции в статическом положении.
  20. Биомеханика дыхания: вдох, способ реализации.
  21. Биомеханика дыхания: выдох и задержка дыхания.
  22. Пространственные характеристики поступательного движения тела. Определение по промеру.
  23. Пространственные характеристики вращательного движения тела. Определение по промеру.
  24. Пространственные характеристики движения тела. Траектория полета снаряда в метаниях.
  25. Временные характеристики движения тела, способ определения.
  26. Временные характеристики движения тела. Определение. Классификация.
  27. Пространственно-временные характеристики движения тела. Определение при поступательном движении.
  28. Пространственно-временные характеристики движения тела. Определение при криволинейном движении.
  29. Биомеханика вращательного движения тела: пространственные характеристики.
  30. Динамические характеристики поступательного движения тела.
  31. Динамические характеристики вращательного движения тела.
  32. Динамические характеристики вращательного движения тела: силовые характеристики.
  33. Момент силы тяжести звена относительно центра вращения в суставе: способ определения Результирующая сила, действующая на гимнаста в большом обороте на перекладине, ее составляющие.
  34. Момент инерции тела человека при вращении на перекладине: способ расчета, анализ изменения величины по ходу вращения.
  35. Момент инерции тела человека: способы определения, численные значения в разных позах.
  36. Момент силы и момент инерции тела (показать на примерах).
  37. Момент инерции тела и примеры управления им.
  38. Импульс силы отталкивания от опоры: формула, метод измерения.
  39. Энергетические характеристики поступательного движения и их расчет.
  40. Энергетические характеристики вращательного движения, их определение.
  41. Состав системы опорно-двигательного аппарата (ОДА). Функции ОДА человека.
  42. Понятие кинематической пары, кинематической цепи.
  43. Кинематические пары и цепи, определение числа степеней свободы в открытой кинематической цепи.
  44. Трехкомпонентная модель мышцы.
  45. Биомеханические свойства биологических тканей: прочность тканей двигательного аппарата на сжатие, растяжение, скручивание.
  46. Свойства мышц: вязкость. Значение этого свойства в работе мышц.
  47. Свойства мышц: упругость и жесткость, их определение.
  48. Свойства мышц: упругость. Показать зависимость проявления сил упругости при удлинении мышцы в активном состоянии.
  49. Виды и режимы работы мышц.
  50. Статическая работа мышц. Управление равновесием на примере неподвижного положения сустава, действующие силы и моменты.
  51. Динамическая работа мышц: режимы работы. Записать неравенством моменты сил, создать иллюстрирующий рисунок.
  52. Факторы, определяющие силу мышц.
  53. Биомеханика двигательных качеств: факторы, определяющие быстроту движений человека.
  54. Биомеханика двигательных качеств: скорость движения тела и факторы ее определяющие.
  55. Биомеханика двигательных качеств: факторы, определяющие силу человека.
  56. Биомеханика выносливости.
  57. Биомеханика физических качеств: гибкость.
  58. Характеристическая кривая мышцы: «длина–сила» для возбужденной и не иннервируемой мышцы.
  59. Зависимость силы от времени сокращения для быстрых и медленных двигательных единиц.
  60. Зависимость «длина–сила» для разных биологических тканей.
  61. Зависимость скорости укорочения мышцы от значения внешней нагрузки (уравнение Хилла)
  62. Центр тяжести тела человека: способы определения.
  63. Устойчивость тела: показатели устойчивости.
  64. Анализ вертикальной стойки: основные задачи.
  65. Хронограмма ходьбы и бега, их отличие.
  66. Биомеханика ударного действия: развитие скорости звена перед соударением.
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Всё про тату: самая полная коллекция фото и видео