УЧЕБНИК ДЛЯ ВУЗОВ.

В.И. ДУБРОВСКИЙ, В.Н. ФЕДОРОВА

Москва

Рецензенты:

доктор биологических наук, профессор А.Г. Максина; доктор технических наук, профессор В.Д. Ковалев;

кандидат медицинских наук, лауреат Государственной премии СССР

И.Л. Баднин

Рисунки выполнены художником Н.М. Замешаевой

Дубровский В.И., Федорова В.Н.

Биомеханика: Учеб. для сред, и высш. учеб, заведений. — М.: Изд-во ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003. — 672 с.: ил. ISBN 5-305-00101-3.

Учебник написан в соответствии с новой программой изучения биомеханики в высших учебных заведениях. Большое внимание уделено биомеханическому обоснованию применения средств физической культуры и спорта на примере различных видов спорта. Отражены современные подходы к оценке воздействия на технику спортсмена различных физических и климатических факторов, дана биомеханическая характеристика различных видов спорта. Впервые представлены разделы по медицинской биомеханике , биомеханике инвалидов-спортсменов, биомеханическому контролю локомоций и др.

Учебник адресован студентам факультетов физической культуры университетов, институтов физической культуры и медицинских вузов, а также тренерам, спортивным врачам, реабилитологам, занимающимся разработкой и прогнозированием тренировок, лечением и реабилитацией спортсменов и другим специалистам.

© Дубровский В.И., Федорова В.Н., 2003 © «Издательство ВЛАДОС-ПРЕСС», 2003 © Серийное оформление обложки. ISBN 5-305-00101-3 «Издательство ВЛАДОС-ПРЕСС», 2003

ПРЕДИСЛОВИЕ

Любая отрасль человеческих знаний, в том числе такая дисциплина как биомеханика, оперирует некоторым набором исходных определений, понятий и гипотез. С одной стороны, используются фундаментальные определения из математики, физики, общей механики. С другой — биомеханика базируется на данных экспериментальных исследований, важнейшими из которых являются оценка различных видов двигательной деятельности человека, управления ими; определение свойств биомеханических систем при различных способах деформирования; результаты, полученные при решении медико-биологических задач.

Биомеханика находится на стыке разных наук: медицины, физики, математики, физиологии, биофизики, вовлекая в свою сферу различных специалистов, таких как инженеры, конструкторы, технологи, программисты и др.

Биомеханика спорта как учебная дисциплина изучает как движения человека в процессе выполнения физических упражнений, во время соревнований, так и движения отдельных спортивных снарядов.

Существенное значение в современном спорте и физической культуре придается механической прочности, устойчивости тканей опорно-двигательного аппарата, органов, тканей к многократным физическим нагрузкам, особенно при тренировках в экстремальных условиях (среднегорье, высокая влажность, низкая и высокая температура, гипотермия, изменение биоритмов) с учетом телосложения, возраста, пола, функционального состояния человека. Все эти данные могут быть использованы в совершенствовании методики и техники выполнения тех или иных упражнений и тренировочных систем, а также в совершенствовании инвентаря, экипировки и других факторов.

Физическая культура и спорт в нашей стране в последнее десятилетие утратили свое влияние. Это никак не способствует укреплению здоровья человека. Это также сказывается в виде снижения способности противостоять негативным факторам окружающей среды.

Значение спорта во все времена было существенным в предупреждении преждевременного старения, в восстановлении функциональных возможностей организма после болезней и травм.

С развитием науки медицина активно внедряет ее достижения, разрабатывая новые методы лечения, оценки их эффективности, новые методики диагностики. Это, в свою очередь, обогащает спортивную медицину и физическую культуру. В данном учебнике предложены знания физических основ многих вопросов спортивной медицины, которые необходимы преподавателю физкультуры, тренеру, спортивному врачу, массажисту. Эти знания не менее важны, чем знания основ тренировочного процесса. В зависимости от того, как понимается физическая сущность того или иного направления спортивной медицины, в совокупности с медицинскими аспектами можно прогнозировать, дозировать оздоровительный (лечебный) эффект, а также уровень спортивных достижений.

В лечебной физической культуре применяются различные физические упражнения, реализуемые в том или ином виде спорта.

В данном учебнике, по сравнению с ранее вышедшими, впервые для биомеханики спорта изложен материал, показывающий применение законов фундаментальной физики ко многим конкретным направлениям этой дисциплины. Рассмотрены вопросы: кинематика, динамика материальной точки, динамика поступательного движения, виды сил в природе, динамика вращательного движения, неинерциальные системы отсчета, законы сохранения, механические колебания, механические свойства. Представлен большой раздел, показывающий физические основы воздействия различных факторов (механических, звуковых, электромагнитных, радиационных, тепловых), понимание физической сущности которых совершенно необходимо для рационального решения многих задач спортивной медицины.

Профессор В.И. Дубровский и профессор В.Н. Федорова помимо биомеханических методов контроля лиц, занимающихся физкультурой и спортом, представили биомеханические показатели в норме и при патологии (травмы и заболевания опорно-двигательного аппарата, при утомлении и др.), а также при тренировке в экстремальных условиях, у инвалидов-спортсменов и др.

Многие вопросы освещены авторами с учетом развития спорта высших достижений, инвалидного спорта, биомеханики спортивной травмы, различных возрастных периодов развития, с учетом телосложения и техники выполнения тех или иных упражнений в различных видах спорта.

В книге показаны основные направления в развитии биомеханики с использованием современных методов контроля: стационарный и дистанционный контроль за локомоциями; разработка современных технологий инвентаря, экипировки; техники выполнения физических упражнений в различных видах спорта; контроль за выполнением упражнений инвалидами-спортсменами; биомеханический контроль при травмах и заболеваниях опорно-двигательного аппарата и др.

По существу, в каждой главе учебника авторы подчеркивают, что, чтобы успешно выступать на соревнованиях, спортсмен должен владеть рациональной техникой выполнения упражнения, понимая его медико-физическую сущность, должен быть оснащен современной экипировкой, спортинвентарем, должен быть хорошо подготовлен функционально и здоров.

Особое место в учебнике отведено влиянию интенсивных физических нагрузок на структурные (морфологические) изменения в тканях опорно-двигательного аппарата, особенно если несовершенна техника выполнения физических упражнений и методы ее коррекции. Отмечено, что реакция тканей ОДА на физические нагрузки во многом зависит от техники выполнения упражнений, телосложения, возраста, функционального состояния, климато-географических факторов и т. п.

Авторы большое внимание уделяют возможностям использования математических и физических моделей как для различных упражнений, так и для отдельных участков и систем организма человека, в частности, спортсмена, а также тела в целом, для прогнозирования реакций организма на физические нагрузки и различные неблагоприятные факторы воздействия внешней среды. Телосложение, возраст важны для расчетной и модельной оценки пределов переносимости этих воздействий с учетом разнообразных дополнительных факторов.

У нас в стране и за рубежом до сих пор нет учебника, где были бы систематизированы материалы как по теоретическим физико-математическим основам биомеханики спорта, так и по биомеханике в норме и при патологии, с учетом возраста, пола, телосложения и функционального состояния лиц, занимающихся физкультурой и спортом. Особенно это важно при занятии спортом высших достижений, где требования к технике выполнения упражнений исключительные, и малейшие отклонения ведут к травматизму, иногда к инвалидности, снижению спортивных результатов.

Учебник «Биомеханика» отвечает современным требованиям, предъявляемым к учебникам по медико-биологическим дисциплинам, единым для педагогических, медицинских вузов и институтов физической культуры.

Большое количество информационных таблиц, рисунков, схем, однотипное и четкое разделение материала по структуре в каждой главе, выделенные лаконичные определения делают излагаемый материал очень наглядным, интересным, легко воспринимаемым и запоминаемым.

Этот учебник позволит студентам, тренерам, врачам, методистам ЛФК, преподавателям физкультуры лучше познать основы спортивной биомеханики, спортивной медицины, лечебной физкультуры, а следовательно, успешно и активно использовать их в своей работе. Этот учебник может быть рекомендован знатокам прикладной механики, специализирующимся по биомеханике.

Заведующий кафедрой теоретической механики Пермского государственного технического университета,

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации

Ю.И. Няшин

ВВЕДЕНИЕ

Биомеханика движений человека представляет собой одну из частей более общей дисциплины, кратко называемой «биомеханика».

Биомеханика — это раздел биофизики, в котором изучаются механические свойства тканей, органов и систем живого организма и механические явления, сопровождающие процессы жизнедеятельности. Пользуясь методами теоретической и прикладной механики, эта наука исследует деформацию структурных элементов тела, течение жидкостей и газов в живом организме, движение в пространстве частей тела, устойчивость и управляемость движений и другие вопросы, доступные указанным методам. На основе этих исследований могут быть составлены биомеханические характеристики органов и систем организма, знание которых является важнейшей предпосылкой для изучения процессов регуляции. Учет биомеханических характеристик дает возможность строить предположения о структуре систем, управляющих физиологическими функциями. До последнего времени основные исследования в области биомеханики были связаны с изучением движений человека и животных. Однако сфера приложения этой науки прогрессивно расширяется; сейчас она включает в себя также изучение дыхательной системы, системы кровообращения, специализированных рецепторов и т. д. Интересные данные получены при изучении эластичного и неэластичного сопротивления грудной клетки, движений газов через дыхательные пути. Предпринимаются попытки обобщенного подхода к анализу движения крови с позиций механики сплошных сред, в частности, изучаются упругие колебания сосудистой стенки. Доказано также, что с точки зрения механики структура сосудистой системы оптимальна для выполнения своих транспортных функций. Реологические исследования в биомеханике обнаружили специфические деформационные свойства многих тканей тела: экспоненциальную нелинейность связи между напряжениями и деформациями, существенную зависимость от времени и т. д. Полученные знания о деформационных свойствах тканей помогают решению некоторых практических задач, в частности, они используются при создании внутренних протезов (клапаны, искусственное сердце, сосуды и пр.). Особенно плодотворно применяется классическая механика твердого тела в изучении движений человека. Часто под биомеханикой понимают именно это ее приложение. При изучении движений биомеханика использует данные антропометрии, анатомии, физиологии нервной и мышечной систем и других биологических дисциплин. Поэтому часто, может быть, в учебных целях, в биомеханику ОДА включают его функциональную анатомию, а иногда и физиологию нервно-мышечной системы, называя это объединение кинезиологией.

Количество управляющих воздействий в нервно-мышечной системе огромно. Тем не менее, нервно-мышечная система обладает удивительной надежностью и широкими компенсаторными возможностями, способностью не только многократно повторять одни и те же стандартные комплексы движений (синергии), но и выполнять стандартные произвольные движения, направленные на достижение определенных целей. Помимо способности организовать и активно заучивать необходимые движения, нервно-мышечная система обеспечивает приспособляемость к быстро меняющимся условиям окружающей и внутренней среды организма, изменяя применительно к этим условиям привычные действия. Эта вариативность имеет не только пассивный характер, но обладает чертами активного поиска, осуществляемого нервной системой, когда она добивается наилучшего решения поставленных задач. Перечисленные способности нервной системы обеспечиваются переработкой в ней информации о движениях, которая поступает по обратным связям, образованным сенсорной афферентацией. Деятельность нервно-мышечной системы отражается во временной, кинематической и динамической структурах движения. Благодаря этому отражению становится возможным, наблюдая механику, получить информацию о регуляции движений и ее нарушениях. Такой возможностью широко пользуются при диагностике заболеваний, в нейрофизиологических исследованиях с помощью специальных тестов при контроле двигательных навыков и обученности инвалидов, спортсменов, космонавтов и в ряде других случаев.

Глава 1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ БИОМЕХАНИКИ

Биомеханика — одна из самых старых ветвей биологии. Ее истоками были работы Аристотеля и Галена, посвященные анализу движений животных и человека. Но только благодаря работам одного из самых блистательных людей эпохи Возрождения — Леонардо да Винчи (1452—1519) — биомеханика сделала свой следующий шаг. Леонардо особенно интересовался строением человеческого тела (анатомией) в связи с движением. Он описал механику тела при переходе из положения сидя к положению стоя, при ходьбе вверх и вниз, при прыжках и, по-видимому, впервые дал описание походок.

Р. Декарт (1596—1650) создал основу рефлекторной теории, показав, что причиной движений может быть конкретный фактор внешней среды, воздействующий на органы чувств. Этим объяснялось происхождение непроизвольных движений.

В дальнейшем большое влияние на развитие биомеханики оказал итальянец Д. Борелли (1608—1679) — врач, математик, физик. В своей книге «О движении животных» по сути он положил начало биомеханике как отрасли науки. Он рассматривал организм человека как машину и стремился объяснить дыхание, движение крови и работу мышц с позиций механики.

Биологическая механика как наука о механическом движении в биологических системах использует в качестве методического аппарата принципы механики.

Механика человека есть новый раздел механики, изучающий целенаправленные движения человека.

Биомеханика — это раздел биологии, изучающий механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также происходящие в них механические явления (при движении, дыхании и т. д.).

Леонардо ДО Винчи И.П. Павлов

П.Ф. Лесгафт Н.Е. Введенский

Первые шаги в подробном изучении биомеханики движений были сделаны лишь в конце XIX столетия немецкими учеными Брауном и Фишером (V. Braune, О. Fischer), которые разработали совершенную методику регистрации движений, детально изучили динамическую сторону перемещений конечностей и общего центра тяжести (ОЦТ) человека при нормальной ходьбе.

К.Х. Кекчеев (1923) изучал биомеханику патологических походок, используя методику Брауна и Фишера.

П.Ф. Лесгафтом (1837—1909) создана биомеханика физических упражнений, разработанная на основе динамической анатомии. В 1877 г. П.Ф. Лесгафт начал читать лекции по этому предмету на курсах по физическому воспитанию. В Институте физического образования им. П.Ф. Лесгафта этот курс входил в предмет «физическое образование», а в 1927 г. был выделен в самостоятельный предмет под названием «теория движения» ив 1931 г. переименован в курс «Биомеханика физических упражнений».

Большой вклад в познание взаимодействия уровней регуляции движений внес Н.А. Бернштейн (1880— 1968). Им дано теоретическое обоснование процессов управления движениями с позиций общей теории больших систем. Исследования Н.А. Бернштейна позволили установить чрезвычайно важный принцип управления движениями, общепризнанный в настоящее время. Нейрофизиологические концепции Н.А. Бернштейна послужили основой формирования современной теории биомеханики движений человека.

Идеи Н.М. Сеченова о рефлекторной природе управления движениями путем использования чувствительных сигналов, получили развитие в теории Н.А. Бернштейна о кольцевом характере процессов управления.

B.C. Гурфинкель и др. (1965) клинически подтвердили это направление, выявили принцип синергии в организации работы скелетной мускулатуры при регуляции вертикальной позы, а Ф.А. Северин и др. (1967) получили данные о спинальных генераторах (мотонейронах) локомоторных движений. R. Granit (1955) с позиции нейрофизиологии дал анализ механизмов регуляции движений.

R. Granit (1973) отметил, что организация ответов на выходе в конечном счете определяется механическими свойствами двигательных (моторных) единиц (ДЕ) и специфической иерархией процессов активации — включением медленных или быстрых ДЕ, тонических или фазических мотонейронов, альфа-моторного или альфа-гамма-контроля.

Н.А. Бернштейн А.А. Ухтомский

И.М. Сеченов А.Н. Крестовников

Большой вклад в биомеханику спорта внесли R.G. Osterhoud (1968); Т. Duck (1970), R.M. Brown; J.E. Counsilman (1971); S. Plagenhoef (1971); C.W.Buchan (1971); Dal Monte et.al. (1973); M.Saito et al. (1974) и многие другие.

У нас в стране изучение координации движений человека ведется с двадцатых годов XX столетия. Проводились исследования всей биомеханической картины координационной структуры произвольных движений человека с целью установления общих закономерностей, определяющих как центральную регуляцию, так и деятельность мышечной периферии в этом важнейшем жизненном процессе. С тридцатых годов XX века в институтах физкультуры в Москве (Н.А. Бернштейн), в Ленинграде (Е.А. Котикова, Е.Г. Котельникова), в Тбилиси (Л.В. Чхаидзе), в Харькове (Д.Д. Донской) и других городах стала развиваться научная работа по биомеханике. В 1939 г. вышло учебное пособие Е.А. Котиковой «Биомеханика физических упражнений» и в последующие годы в учебники и учебные пособия стал входить раздел «Биомеханическое обоснование спортивной техники по различным видам спорта».

Из биологических наук в биомеханике более других использовались научные данные по анатомии и физиологии. В последующие годы большое влияние на становление и развитие биомеханики как науки оказали динамическая анатомия, физика и физиология, особенно учение о нервизме И.П. Павлова и о функциональных системах П.К. Анохина.

Большой вклад в изучение физиологии двигательного аппарата внес Н.Е. Введенский (1852—1922). Им выполнены исследования процессов возбуждения и торможения в нервной и мышечной тканях. Его работы о физиологической лабильности живых тканей и возбудимых систем, о парабиозе имеют огромное значение для современной физиологии спорта. Большую ценность представляют также его работы о координации движений.

По определению А.А. Ухтомского (1875—1942), биомеханика исследует «каким образом полученная механическая энергия движения и напряжения может приобрести рабочее применение». Им показано, что сила мышц при прочих равных условиях зависит от поперечного сечения. Чем больше поперечное сечение мышцы, тем больше она в состоянии поднять груз. А.А. Ухтомский открыл важнейшее физиологическое явление — доминанту в деятельности нервных центров, в частности, при двигательных актах. Большое место в его работах отведено вопросам физиологии двигательного аппарата.

Вопросы физиологии спорта разрабатывал А.Н. Крестовиков (1885—1955). Они были связаны с выяснением механизма мышечной деятельности, в частности, координации движений, формирования двигательных условных рефлексов, этиологии утомления при физической деятельности и другими физиологическими функциями при выполнении физических упражнений.

М.Ф. Иваницкий (1895—1969) разработал функциональную (динамическую) анатомию применительно к задачам физкультуры и спорта, т. е. определил связь анатомии с физкультурой.

Успехи современной физиологии, и, в первую очередь, труды академика П.К. Анохина дали возможность с позиции функциональных систем по-новому взглянуть на биомеханику движений.

Все это дало возможность обобщить физиологические данные с биомеханическими исследованиями и подойти к решению важных вопросов биомеханики движений в современном спорте, спорте высших достижений.

В середине XX века ученые создали протез руки, управляемый электрическими сигналами, поступающими из нервной системы. В 1957 г. у нас в стране была сконструирована модель руки (кисти), которая выполняла биоэлектрические команды типа «сжать— разжать», а в 1964 г. создан протез с обратной связью, т. е. протез, от которого непрерывно поступает в ЦНС информация о силе сжатия или разжатия кисти, о направлении движения руки и тому подобных признаках.

П.К. Анохин

Американские специалисты (E.W. Schrader и др., 1964) создали протез ноги, ампутированной выше колена. Была изготовлена гидравлическая модель коленного сустава, позволяющая добиться естественной ходьбы. Конструкция предусматривает нормальную высоту подъема пятки и вытягивание ноги при ее отводе независимо от скорости ходьбы.

Бурное развитие спорта в СССР послужило основанием развития биомеханики спорта. С 1958 г. во всех институтах физической культуры биомеханика стала обязательной учебной дисциплиной, создавались кафедры биомеханики, разрабатывались программы, издавались учебные пособия, учебники, проводились научно-методические конференции, готовились специалисты.

Как учебный предмет биомеханика выполняет несколько ролей. Во-первых, с ее помощью студент вводится в круг важнейших физико-математических понятий, которые необходимы для расчетов скорости, углов отталкивания, массы тела, расположения ОЦТ и его роли в технике выполнения спортивных движений. Во-вторых, эта дисциплина имеет самостоятельное применение в спортивной практике, потому что представленная в ней система двигательной деятельности с учетом возраста, пола, массы тела, телосложения позволяет выработать рекомендации для работы тренера, учителя физкультуры, методиста лечебной физкультуры и др.

Биомеханические исследования позволили создать новый тип обуви, спортивного инвентаря, оборудования и техники управления ими (велосипеды, горные и прыжковые лыжи, гоночные лыжи, лодки для гребли и многое другое).

Изучение гидродинамических характеристик рыб и дельфинов дало возможность создать специальные костюмы для пловцов, изменить технику плавания, что способствовало повышению скорости плавания.

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

Глава 2 ТОПОГРАФИЯ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА. ОБЩИЕ ДАННЫЕ О ТЕЛЕ ЧЕЛОВЕКА

Тело человека представляет собой с точки зрения механики объект величайшей сложности. Оно состоит из частей, которые с большой степенью точности можно считать твердыми (скелет) и деформируемых полостей (мышцы, сосуды и пр.), причем в этих полостях содержатся текучие и фильтрующиеся среды, не обладающие свойствами обычных жидкостей.

Тело человека в общих чертах сохраняет строение, свойственное всем позвоночным: двуполярность (головной и хвостовой концы), двустороннюю симметрию, преобладание парных органов, наличие осевого скелета, сохранение некоторых (реликтовых) признаков сегментарности (метамерии) и т. п. (рис. 2.1).

К другим морфофункциональным особенностям тела человека относятся: высокополифункциональная верхняя конечность; ровный ряд зубов; развитый головной мозг; прямохождение; пролонгированное детство и др.

В анатомии принято изучать тело человека в вертикальном положении с сомкнутыми нижними и опущенными верхними конечностями.

В каждой части тела выделяют области (рис. 2.2, а, б) головы, шеи, туловища и двух пар верхних и нижних конечностей (см. рис. 2.1,6).

Рис. 2.1. Сегментарное деление спинного мозга. Формирование сплетений из корешков мозга (а). Сегментарная инвервация органов и функциональных систем (б)

На туловище человека обозначают два конца — черепной, или краниальный и хвостовой, или каудальный и четыре поверхности — брюшную, или вентральную, спинную, или дорсальную и две боковых — правую и левую (рис. 2:3).

На конечностях определяют по отношению к туловищу два конца: проксимальный, т. е. более близкий и дистальный, т. е. отдаленный (см. рис. 2.3).

Оси и плоскости

Тело человека построено по типу двубоковой симметрии (оно делится срединной плоскостью на две симметричные половины) и характеризуется наличием внутреннего скелета. Внутри тела наблюдается расчленение на метамеры, или сегменты, т. е. образования однородные по строению и развитию, расположенные в последовательном порядке, в направлении продольной оси тела (например, мышечные, нервные сегменты, позвонки и пр.); центральная нервная система лежит ближе к спинной поверхности туловища, пищеварительная — к брюшной. Как и все млекопитающие, человек имеет молочные железы и покрытую волосами кожу, полость его тела разделена диафрагмой на грудной и брюшной отделы (рис. 2.4).

Рис. 2.2. Области тела человека:

а — передняя поверхность: 7 — теменная область; 2 — лобная область; 3 — область глазницы; 4 — область рта; 5 — подбородочная область; б — передняя область шеи; 7 — латеральная область шеи; 8 — область ключицы; 9 — ладонь кисти; 10 — передняя область предплечья; 11 — передняя локтевая область; 12 — задняя область плеча; 13 — подмышечная область; 14 — грудная область; 15 — подреберная область; 16— надчревная область; 17— пупочная область; 18— боковая область живота; 19 — паховая область; 20 — лобковая область; 21 — медиальная область бедра; 22 — передняя область бедра; 23 — передняя область колена; 24 — передняя область голени; 25 — задняя область голени; 26 — передняя голеностопная область; 27 —тыл стопы; 28 — пяточная область; 29 — тыл кисти; 30 — предплечье; 31 — задняя область предплечья; 32 — задняя локтевая область; 33 — задняя область плеча; 34 — задняя область предплечья; 35 — область молочной железы; 36 — дельтовидная область; 37 — ключично-грудной треугольник; 38 — подключичная ямка; 39 — грудино-ключично-сосцевидная область; 40 — область носа; 41 — височная область.

Рис. 2.3. Взаимное положение частей в человеческом теле

б — задняя поверхность: 1 — теменная область; 2 — височная область; 3 — лобная область; 4 — область глазницы; 5 — скуловая область; б — щечная область; 7 — поднижнечелюстной треугольник; 8 — грудино-ключично-сосцевидная область; 9—акромиальная область; 10— межлопаточная область; 11 —лопаточная область; 12 — дельтовидная область; 13 — боковая грудная область; 14 — задняя область плеча; 15 — подреберная область; 16 — задняя локтевая область; 17 — задняя область предплечья; 18 — передняя область предплечья; 79 — ладонь кисти; 20 — пяточная область; 21 — подошва стопы; 22 — тыл стопы; 23 — передняя область голени; 24 — задняя область голени; 25 — задняя область колена; 26 — задняя область бедра; 27—заднепроходная область; 28 — ягодичная область; 29 — крестцовая область; 30 — боковая область живота; 31 — поясничная область; 32 — подлопаточная область; 33 — позвоночная область; 34 — задняя область плеча; 35 — задняя локтевая область; 36 — задняя область предплечья; 37 — тыл кисти; 38 — передняя область плеча; 39 — надлопаточная область; 40 — задняя область шеи; 41 — затылочная область

Рис. 2.4. Полости тела

Рис. 2.5. Схема осей и плоскостей в теле человека:

1 — вертикальная (продольная) ось;

2 — фронтальная плоскость; 3 — горизонтальная плоскость; 4 — поперечная ось; 5 — сагиттальная ось; 6 — сагиттальная плоскость

Чтобы лучше ориентироваться относительно взаимного положения частей в человеческом теле, исходят из некоторых основных плоскостей и направлений (рис. 2.5). Термины «верхний», «нижний», «передний», «задний» относятся к вертикальному положению тела человека. Плоскость, делящая тело в вертикальном направлении на две симметричные половины, именуется срединной. Плоскости, параллельные срединной, называются сагиттальными (лат. sagitta — стрела); они делят тело на отрезки, расположенные в направлении справа налево. Перпендикулярно срединной плоскости идут фронтальные, т. е. параллельные лбу (фр. front — лоб) плоскости; они рассекают тело на отрезки, расположенные в направлении спереди назад. Перпендикулярно срединной и фронтальной плоскости проводятся горизонтальные, или поперечные плоскости, разделяющие тело на отрезки, расположенные друг над другом. Сагиттальных (за исключением срединной), фронтальных и горизонтальных плоскостей можно провести произвольное количество, т. е. через любую точку поверхности тела или органа.

Терминами «медиально» и «латерально» пользуются для обозначения частей тела по отношению к срединной плоскости: medialis — находящийся ближе к срединной плоскости, lateralis — дальше от нее. С этими терминами не надо смешивать термины «внутренний» — interims и «наружный» — externus, которые употребляются только по отношению к стенкам полостей. Слова «брюшной» — ventralis, «спинной» — dorsalis, «правый» — dexter, «левый» — sinister, «поверхностный» — superficial, «глубокий» — profundus не нуждаются в объяснении. Для обозначения пространственных отношений на конечностях приняты термины «proximalis» и «distalis», т. е. находящийся ближе и дальше от места соединения конечности с туловищем.

Для определения проекции внутренних органов проводят ряд вертикальных линий: переднюю и заднюю срединные — соответственно сечениям срединной плоскости; правую и левую грудинные— по боковым краям грудины; правую и левую срединноключичные — через середину ключицы; правую и левую окологрудинные — посередине между грудиной и срединноключичной; правую и левую переднеподкрыльцовые — соответственно переднему краю подкрыльцовой ямки; правую и левую срединноподкрыльцовые — исходящие из глубины одноименной ямки; правую и левую заднеподкрыльцовые — соответственно заднему краю подкрыльцовой ямки; правую и левую лопаточные — через нижний угол лопатки; правую и левую околопозвоночные — посередине между лопаточной и задней срединной линиями (соответствует верхушкам поперечных отростков).

Краткие данные о центре тяжести тела человека

Функция нижних конечностей человека, если исключить многие физические упражнения, определяется главным образом опорой (положение стоя) и локомоцией (ходьба, бег). И в том, и в другом случае на функцию нижних конечностей, в отличие от верхних, имеет значительное влияние общий центр тяжести (ОЦТ) тела человека (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Расположение общего центра тяжести при различных видах стояния: 1 — при напряженном; 2 — при антропометрическом; 3 — при спокойном

Во многих задачах механики удобно и допустимо рассматривать массу какого-то тела так, как будто она сконцентрирована в одной точке — центре тяжести (ЦТ). Поскольку нам предстоит анализировать силы, действующие на тело человека во время выполнения физических упражнений и стоя (покой), нам следует знать, где находится ЦТ у человека в норме и при патологии (сколиоз, коксартроз, ДЦП, ампутации конечности и др.).

В общей биомеханике важным является изучение расположения центра тяжести (ЦТ) тела, его проекции на площадь опоры, а также пространственного соотношения между вектором ЦТ и различными суставами (рис. 2.7). Это позволяет изучать возможности блокировки суставов, оценить компенсаторные, приспособительные изменения в опорно-двигательном аппарате (ОДА). У взрослых мужчин (в среднем) ОЦТ располагается на 15 мм позади от передне-нижнего края тела V поясничного позвонка. У женщин ЦТ в среднем располагается на 55 мм спереди от передне-нижнего края I крестцового позвонка (рис. 2.8).

Во фронтальной плоскости ОЦТ незначительно (на 2,6 мм у мужчин и на 1,3 мм у женщин) смещен вправо, т. е. правая нога принимает несколько большую нагрузку, чем левая.

Рис. 2.7. Виды положения тела человека стоя: 1 — антропометрическое положение; 2 — спокойное положение; 3 — напряженное положение: Кружок с точкой в центре, находящийся в области таза, показывает положение общего центра тяжести тела; в области головы — положение центра тяжести головы; в области кисти — положение общего центра тяжести кисти. Черные точки показывают поперечные оси суставов верхней и нижней конечностей, а так же атланто-затылочного сустава

Рис. 2.8. Расположение центра

тяжести (ЦТ): а — у мужчин; б — у женщин

Общий центр тяжести (ОЦТ) тела слагается из центров тяжести отдельных частей тела (парциальные центры тяжести) (рис. 2.9). Поэтому при движениях и перемещении массы частей тела перемещается и общий центр тяжести, но для сохранения равновесия его проекция не должна выходить за пределы площади опоры.

Рис. 2.9. Расположение центров тяжести отдельных частей тела

Рис. 2.10. Положение общего центра тяжести тела: а — у мужчин одинакового роста, но различного телосложения; б—у мужчин разного роста; в — у мужчин и женщин

Высота положения ОЦТ у разных людей значительно варьирует в зависимости от целого ряда факторов, к числу которых в первую очередь относятся пол, возраст, телосложение и пр. (рис. 2.10).

У женщин ОЦТ обычно "располагается несколько ниже, чем у мужчин (см. рис. 2.8).

У детей раннего возраста ОЦТ тела расположен выше, чем у взрослых.

При изменении взаимного расположения частей тела, проекция его ОЦТ также меняется (рис. 2.11). Меняется при этом и устойчивость тела. В практике спорта (обучение упражнениям и тренировки) и при выполнении упражнений лечебной гимнастики этот вопрос очень важен, так как при большей устойчивости тела можно выполнять движения с большей амплитудой без нарушения равновесия.

Рис. 2.11. Положение общего центра тяжести при различных положениях тела

Устойчивость тела определяется величиной площади опоры, высотой расположения ОЦТ тела и местом прохождения вертикали, опущенной из ОЦТ, внутри площади опоры (см. рис. 2.7). Чем больше площадь опоры и чем ниже расположен ОЦТ тела, тем больше устойчивость тела.

Количественным выражением степени устойчивости тела в том или ином положении является угол устойчивости (УУ). УУ называется угол, образованный вертикалью, опущенной из ОЦТ тела и прямой, проведенной из ОЦТ тела к краю площади опоры (рис. 2.12). Чем больше угол устойчивости, тем больше степень устойчивости тела.

Рис. 2.12. Углы устойчивости при Рис. 2.13. Плечи силы тяжести по

выполнении упражнения «шпагат»: отношению к поперечным осям

а — угол устойчивости назад; вращения в тазобедренном, коленном

р — угол устойчивости вперед; и голеностопном суставах опорной

Р — сила тяжести ноги конькобежца

(по М.Ф. Иваницкому)

Вертикаль, опущенная из ОЦТ тела, проходит на некотором расстоянии от осей вращения суставов. В связи с этим сила тяжести в любом положении тела имеет по отношению к каждому суставу определенный момент вращения, равный произведению величины силы тяжести на ее плечо. Плечом силы тяжести является перпендикуляр, проведенный из центра сустава к вертикали, опущенной из ОЦТ тела (рис. 2.13). Чем больше плечо силы тяжести, тем больший момент вращения она имеет по отношению к суставу.

Масса частей тела определяется различными способами. Если у разных людей абсолютная масса частей тела будет значительно различаться, то относительная масса, выраженная в процентах, достаточно постоянна (см. табл. 5.1).

Очень большое значение имеют данные о массе частей тела, а также о расположении парциальных центров тяжести и моментов инерции в медицине (для конструирования протезов, ортопедической обуви и т. п.) и в спорте (для конструирования спортивного инвентаря, обуви и т. п.).

Организм, орган, система органов, ткани

Организмом называется всякое живое существо, основными свойствами которого являются: постоянный обмен веществ и энергии (внутри себя и с окружающей средой); самообновление; движение; раздражаемость и реактивность; саморегулирование; рост и развитие; наследственность и изменчивость; приспособляемость к условиям существования. Чем сложнее устроен организм, тем в большей мере он сохраняет постоянство внутренней среды — гомеостаз (температура тела, биохимический состав крови и др.) независимо от меняющихся условий внешней среды.

Эволюция происходила под знаком двух противоположных тенденций: дифференциации, или разделения тела на ткани, органы, системы (с соответствующим и одновременным разделением и специализацией функций), и интеграции, или объединения частей в целостный организм.

Органом называют более или менее обособленную часть организма (печень, почка, глаз и т. д.), выполняющую одну или несколько функций. В образовании органа принимают участие различные по строению и физиологической роли ткани, возникшие в течение длительной эволюции как совокупность приспособительных механизмов. Одни органы (печень, поджелудочная железа и др.) имеют сложное строение, причем каждый их компонент выполняет свою функцию. В других случаях составляющие тот или иной орган (сердце, щитовидная железа, почка, матка и др.) клеточные структуры подчинены выполнению единой сложной функции (кровообращение, мочеотделение и др.).

АВТОМАТИЗАЦИЯ БИОМЕХАНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Биомеханический контроль можно осуществлять по-разному Самое простое — наблюдать и записывать результаты наблюдений. Но при этом многое будет упущено и никто не сможет поручиться за точность полученных результатов.

Гораздо плодотворнее, хотя и сложнее, автоматизированный контроль. Можно сказать, что в наши дни ленинская формула «от живого созерцания —к абстрактному мышлению и от него — к практике» приобрела новый смысл. Сегодня процесс «живого созерцания», наблюдения за объектом исследования немыслим без использования измерительной аппаратуры.

Все измерительные системы в биомеханике включают в себя датчики биомеханических характеристик с усилителями и преобразователями, канал связи и регистрирующее устройство. В последние годы все чаще используют запоминающие и вычислительные устройства, значительно расширяющие возможности педагога. Для повышения точности биомеханического контроля привлекаются все новинки инженерной мысли: радиотелеметрия, лазеры, ультразвук, инфракрасное излучение, радиоактивность, телевидение, видеомагнитофоны, вычислительная техника.

Датчики биомеханических характеристик

Датчик — первое звено измерительной системы. Датчики непосредственно воспринимают изменения измеряемого показателя и закрепляются либо на теле человека, либо вне его.

Датчик, закрепляемый на человеке, должен иметь минимальный вес и габариты, высокую механическую прочность, удобство крепления и вместе с тем не должен стеснять движений и создавать какого-либо дискомфорта. На теле человека размещаются: маркеры суставов (рис. 35, 36), электромиографические электроды (см. рис. 3), датчики суставного угла (Их чаще называют гониометрическими (от слов gonios — угол, metreo — измеряю); кроме измерения суставных углов, гониометрические датчики применяются для измерения угловых перемещений в спортивном инвентаре, например угла поворота весла в уключине) и ускорения (рис. 37).

Но уже давно замечено, что точность биомеханического контроля выше, если движения человека ничем не стеснены. Поэтому биомеханические датчики стараются размещать на спортивном инвентаре, чтобы условия, в которых осуществляется контроль, не отличались от естественных условий тренировок и соревнований.

Популярными стали динамографические платформы. Они устанавливаются скрытно в секторе для прыжков или метаний, под покрытием беговой дорожки, гимнастического помоста, игровой площадки и т. п. Наиболее совершенные динамоплатформы позволяют измерить все три составляющие силы (вертикальную и две горизонтальные) и, кроме того, скручивающий момент в точке приложения силы, причем результат измерения не зависит от того, к какой точке приложена сила.

Чувствительными элементами в динамографической платформе служат пьезоэлектрические датчики (похожие на тот, что находится в звукоснимателе электропроигрывателя) или менее хрупкие датчики силы — тензометрические (тензодатчики) (Об устройстве биомеханических датчиков и о физических явлениях, лежащих в основе их конструкции, можно прочитать в кн.: Утки н В. Л. Измерения в спорте (введение в спортивную метрологию).— М., 1978.—-С. 103—120; Миненков Б. В. Техника и методика тензометрических исследований в биологии и медицине.— М., 1976).

Рис. 37. «Экзоскелет» — система для крепления гониометрических (1) и акселерометрических (2) датчиков на теле человека; предусмотрена возможность подгонки экзоскелета к длинам сегментов руки и ноги (по А. Н. Лапутину)

Тензодатчики применяются для измерения силы во многих видах спорта. В гимнастике их наклеивают на перекладину, брусья, кольца, ручки коня и т. д. В тяжелой атлетике — на гриф штанги. В стрелковом спорте и биатлоне — на спусковой крючок, ложе и приклад. В гребле — на конус уключины или весло (между рукояткой и уключиной), на подножку и на банку. В велосипедном, конькобежном и лыжном спорте для измерения силы немного видоизменяют конструкцию педали, конька, лыжи и лыжной палки, причем эти изменения никак не сказываются на естественной технике движений. В легкой атлетике применяют тензостельки, которые вкладывают в спортивную обувь. Интересно, что появились кроссовки с тензостельками и миниатюрным компьютером, который автоматически подсчитывает темп и силу отталкивания и сигнализирует тренирующемуся человеку, если сила отталкивания и частота шагов выше или ниже оптимальной.

Тензодатчики используют не только для измерения силы, но и для измерения ускорения, а также для регистрации колебаний тела (рис. 38). В этом случае Тензодатчики наклеивают на вертикальный стержень, соединяющий центры нижней и верхней площадки стабилографической платформы. Стабилограмма показывает, сколь велика способность человека сохранять устойчивость тела, которая служит важным фактором достижений в гимнастике, акробатике, гребле, фигурном катании и т. д. Кроме того, стабилография полезна при лечении людей с нарушенной способностью сохранять равновесие, при тестировании состояния нервной системы (например, перед соревнованиями).

Подобно тензодатчикам, не искажают естественных движений и фотоэлектрические датчики, в которых электрический ток возникает под действием света. Они используются для измерения скорости ходьбы и бега. Бегун (а также конькобежец, лыжник и др.) во время движения прерывает световые лучи, падающие на фотоэлементы (рис. 39). Поскольку каждая оптронная пара (источник света — фотоэлемент) находится на определенном расстоянии (S) от следующей, а время (Dt) преодоления этого расстояния измеряется, легко вычислить среднюю скорость на этом отрезке дистанции:

Если источник света (например, лазер) дает узконаправленный луч, то можно измерить длительность и длину каждого шага. Эта информация полезна при подготовке спринтеров, прыгунов и барьеристов.

Телеметрия и методы регистрации биомеханических характеристик

Для того чтобы использовать информацию от биомеханических датчиков, ее нужно передать по телеметрическому каналу и зарегистрировать.

Термин «телеметрия», составленный из греческих слов tele —далеко и metron —мера, означает «измерение на расстоянии». Информацию о результатах измерений можно передавать по проводам, по радио, посредством лучей света и инфракрасных (тепловых) лучей.

Проводная телеметрия проста и устойчива при помехах. Ее основной недостаток—невозможность передавать по проводам сигналы с датчиков, размещенных на теле человека, находящегося в движении. Поэтому проводную телеметрию следует использовать в сочетании с динамографической платформой или стационарно установленным спортивным инвентарем, оснащенным датчиками биомеханических характеристик.

Приведем пример. Для регистрации динамограммы воднолыжника (рис. 40) нужно приклеить тензодатчики к установленной на корме катера вертикальной стойке. К верхней части стойки прикрепляется конец фала, за другой конец которого держится воднолыжник. В этом случае электрический сигнал от тензодатчиков к регистрирующему прибору (который также размещен на катере) целесообразно передать по проводам.

Радиотелеметрия — это отрасль радиотехники, обеспечивающая передачу по радио информации о результатах измерений.

Радиотелеметрия дает возможность контролировать технико-тактическое мастерство человека в естественных условиях двигательной деятельности. Для этого он должен нести на себе биомеханические датчики и миниатюрное передающее устройство радиотелеметрической системы. Пример радиотелеметрической записи биомеханической информации представлен на рис. 41. Изображенные на нем электромиограммы получены в легкоатлетическом манеже, под беговой дорожкой которого уложена приемная антенна радиотелеметрической системы.

Рис. 41. Радиотелеметрическая запись электромиограмм у бегущего человека:

1 — большая ягодичная м.; 2 — прямая м. бедра; 3 — латеральная широкая м. бедра? 4 — двуглавая м. бедра; 5 — передняя большеберцовая м.; 6 — икроножная м.; 7 — камбаловидная м.; одинарная косая штриховка — уступающая работа; двойная косая штриховка — преодолевающая работа (по И. М. Козлову)

Вопрос для самоконтроля знаний

Какие варианты телеметрии могут быть использованы для регистрации силы отталкивания от опоры:

а) в лыжных гонках;

б) в прыжках в длину;

в) в художественной гимнастике?

Регистрация электрических сигналов, содержащих информацию о результатах биомеханического контроля, осуществляется самописцами и индикаторами различных конструкций. При записи результатов измерений остается документ (график на бумаге, магнитная запись, фотография и т. п.). В отличие от записи индикация состоит в восприятии получаемой информации зрительно или на слух.

Самописцы помогают узнать, как один или сразу несколько измеряемых показателей изменяются во времени (см. рис. 40, 41). Но есть и двухкоординатные самописцы, вычерчивающие график зависимости одного показателя от другого. Они дают педагогу дополнительные возможности. Так, на рис. 42 помещены автоматически вычерченные зависимости силы, прикладываемой к веслу, от горизонталь-; ного перемещения весла. Площадь, ограниченная такой. кривой, пропорциональна величине внешней механической работы.

Задание для самоконтроля и закрепления знаний Подвергните последнее утверждение критическому анализу и докажите его справедливость или ошибочность.

Регистрация изображения издавна приносит большую практическую пользу в физическом воспитании и спорте.

Спортивные соревнования — увлекательное зрелище. В таких видах спорта, как гимнастика и фигурное катание, успех спортсмена прямо зависит от красоты и выразительности движений. В других видах спорта внешняя картина движений имеет хотя и второстепенное, но тоже очень важное значение, поскольку от нее зависит сила, быстрота и точность двигательных действий. Да и в повседневной жизни важно умение красиво двигаться.

Кинематику движений регистрируют оптическими методами, которые непрерывно совершенствуются начиная с 1839 г., когда Франсуа Араго на заседании Французской академии наук сообщил об открытии фотографии («светописи»). Уже в 1882 г. Э. Ж. Марей установил перед объективом фотоаппарата вращающийся диск с прорезями и впервые получил на одной фотопластинке несколько поз движущегося человека («хронофотограмму»).

Другое нововведение, названное впоследствии Н. А. Бернштейном циклосъемкой, состояло в том, чтобы регистрировать лишь схематическое изображение тела. С этой целью на голове и суставах человека или в определенных точках спортивного снаряда укрепляют миниатюрные электрические лампочки или отражатели света (см. рис. 35, 36). При этом на фотопластинке фиксируется последовательность светящихся точек («циклограмма»). Соединив точки, относящиеся к какому-либо суставу, получим траекторию этого сустава (рис. 43).

Рис. 42. Графическая регистрация (самописцем) или индикация (на электронно-лучевом индикаторе) зависимости между силой, прикладываемой к рукоятке весла, и горизонтальным перемещением весла в двух циклах гребли; внизу — лодка, оборудованная измерительной аппаратурой:

1 — вычислительное устройство и электронно-лучевой индикатор; 2 — датчик углового перемещения весла; 3 — тензодатчик (по А. П. Ткачуку)

По мере совершенствования измерительной аппаратуры были освоены стереосъемка, позволяющая получать трехмерное изображение, и высокоскоростная съемка, дающая возможность регистрировать быстропротекающие процессы (рис. 44).

Многообразие способов оптических измерений наглядно иллюстрирует рис. 45. Из слов, написанных на рисунке, могут быть составлены названия большинства известных способов регистрации внешней картины движений. Например, низкоскоростная плоскостная видеоциклосъемка — это съемка маркеров на теле человека одной видеокамерой с обычной частотой кадров.

Рис. 44. Кинограмма отскока теннисного мяча от площадки; при высокоскоростной съемке (4000 кадров в секунду) видно, как меняется форма мяча (по Hay)

Обратите внимание, что современная видеотехника постепенно вытесняет методы кино- и фотоизмерений. Благодаря видеозаписи возможен тщательный и объективный анализ техники и тактики. Это и мощное обучающее средство. Видеомагнитофон дает возможность посмотреть на себя со стороны. А ведь «лучше один раз увидеть, чем семь раз услышать». Многократный просмотр видеозаписи, стоп-кадр; замедленное воспроизведение позволяют обнаружить ошибки и наметить пути их устранения. Наконец, видеозапись долговечнее кинопленки. И при всех этих достоинствах современные цветные видеомагнитофоны (например, «Электроника ВМ-12») сравнительно дешевы и общедоступны.

Биомеханический контроль и ЭВМ

Биомеханический контроль — необходимая, но очень трудоемкая работа. И это главная причина, почему он не применяется в каждой школе и спортивной команде.

На рис. 46 схематически изображены 10 поз бегущего человека, масса тела которого 70 кг. Эти графики получены в результате плоскостной циклосъемки. Вертикальные и горизонтальные координаты шести суставов, центра масс головы и кончика стопы помещены в таблицу 9.

Приведенных данных достаточно для того, чтобы вычислить скорости и ускорения основных сегментов тела, определить координаты общего центра масс в каждой позе, построить кинематические графики (Кинематическими графиками принято называть графики, показывающие, как изменяются во времени координаты, скорости и ускорения частей тела).

Рис. 46. Киноциклограмма бега человека (по Д. Д. Донскому, Л. С. Зайцевой)

Задание для самостоятельной работы

Выполнить все перечисленные расчеты и построения.

Выполнив это задание, вы убедились в том, что трудоемкость биомеханического контроля действительно очень велика. Но немало времени ушло и на составление таблицы 9. А теперь представьте себе, что всю необходимую информацию вы получили не затрачивая труда, сразу после того, как исследуемый человек закончил выполнять упражнение. Не правда ли, это уже из области научной фантастики? Тем не менее сегодня такая фантастическая возможность стала реальной, и случилось это благодаря достижениям электронно-вычислительной техники.

С созданием ЭВМ, значение которых академик Н. Н. Моисеев сравнивает с покорением огня, связан важнейший этап научно-технической революции XX в. «Совершенствуя в течение тысячелетий свои рабочие органы и органы чувств, человек до середины XX в. сохранял за своим мозгом функцию промежуточного звена между ними.

Но при современном уровне развития науки и техники умственная нагрузка человека... стала огромной, а подчас изнурительной и непосильной. Дальнейшее развитие человечества потребовало «достройки» естественной системы управления — человеческого мозга... Из этой потребности и родилась... электронно-вычислительная техника» (Цитата (с сокращениями) заимствована из книги И. М. Фейгенберга «Мозг, психика, здоровье» (М., 1972.— С. 32)).

Примечание. В числителе горизонтальные, в знаменателе вертикальные координаты маркеров, см.

Как известно, ЭВМ делятся на универсальные и специализированные. Универсальные ЭВМ (в том числе персональные компьютеры) дают возможность решать многие задачи биомеханического контроля. В том числе:

— вычисления и графические работы, подобные тем, что вы сделали, выполняя задание на с. 75 и более сложные;

— тестирование двигательных качеств;

— выявление оптимальных вариантов техники и тактики путем их математического и имитационного моделирования на ЭВМ (см. рис. 23, 24);

— контроль за эффективностью техники и тактики.

Последнее проиллюстрируем представленными на рис. 47 результатами динамографического контроля за симметричностью позы при стоянии человека. Такой контроль не только позволяет дать полезные для здоровья рекомендации, но и необходим при индивидуальном пошиве спортивной обуви. Рисунок показывает, что два пальца левой ноги не взаимодействуют с опорой. Следовательно, под эти пальцы следует положить супинатор.

Даже эти немногие примеры дают представление о том, насколько применение вычислительной техники в биомеханическом контроле расширяет возможности педагога. Недаром умение пользоваться ЭВМ называют второй грамотностью.

Для точной оценки движений человека используют измерительную аппаратуру. Измерительные приборы должны соответствовать требованиям точности, стабильности, устойчивости, изоляции токоведущих частей и механической добротности.

Все измерительные системы включают в себя датчики биомеханических характеристик с усилителями и преобразователями, каналы связи и регистрирующее устройство (запоминающее и воспроизводящее).

Рис.2. Схема состава измерительной системы.

Датчик – первое звено измерительной системы, воспринимает изменения показателя. Закрепляется на теле человека или вне его.

Датчик, закрепленный на теле человека, должен иметь минимальный вес и не стеснять движения. Это, например, маркеры суставов, электромиографические электроды, датчики суставного угла или ускорения. Датчики также размещают на инвентаре, снарядах, покрытиях, на которых выполняется упражнение

Усилитель характеризуется коэффициентом усиления.

Информация от датчиков передается по телеметрическому каналу .

Зарегистрировать информацию можно (результат регистрации – график, магнитная лента):

а) индикаторы (тепловые, световые, химические);

б) счетчики (механические, электронные и др.);

в) самописцы (перьевые, струйные, тепловые);

г) осциллографы (шлейфные и электронные).

Метод тензодинамометрии (сконструирован А.Б. Абалаковым) позволяет зарегистрировать и измерить усилия, развиваемые спортсменом при выполнении различных физических упражнений. Спортсмен оказывает механическое воздействие на снаряды и покрытие, которые в результате этого деформируются. Величину деформации можно зарегистрировать с помощью тензодатчиков, наклеенных на упругий элемент.

Используют проволочные, фольговые и полупроводниковые тензодатчики. Для измерения трех составляющих усилия их наклеивают на три взаимно перпендикулярные плоскости. В качестве измерительного и регистрирующего устройства используют осциллограф. Наиболее распространены динамографическая платформа для трехкомпонентной записи опорного давления.

Метод акселерометрии позволяет зарегистрировать ускорения движения тела и его звеньев. Состоит из датчиков ускорения, наклеенных на тело человека или на снаряд, усилительной аппаратуры и регистрирующей аппаратуры (осциллограф или магнитофон). Для ориентации вектора ускорения используется синхронизированная двух- или трехплоскостная видеосъемка.

Метод электрогониометрии предназначен для измерения величины суставных углов при движении тела человека. Он предназначен для измерения подвижности и изменения углов во времени.

Гониометр состоит из двух тонких стержней, концы которых соединены шарниром. Между планками закреплен электрический преобразователь. Через проводную связь информация поступает на усилитель, преобразователь и регистратор. Запись изменения углов называется гониограммой. Запись информации от нескольких углов называется полигониометрией.

Близкими к этому методу являются ангулография (запись углов сгибания и разгибания нижних конечностей), ихнографии и подографии (запись следов при ходьбе и беге)

Рентгенографический метод позволяет определить теоретически допустимую амплитуду движения, рассчитав ее на основании рентгенологического анализа строения сустава.

Метод электромиографии – способ регистрации и анализа биологической активности мышц. Позволяет изучить активность отдельных мышц, длительность работы и согласованность в работе мышц с помощью регистрации разности потенциалов. Установка состоит из электродов, наложенных на кожу над соответствующей мышцей, усилителя биопотенциалов и регистрирующего устройства.

Метод стабилогрфии используется для определения колебания ОЦТ тела при попытке сохранения равновесия.

Электромеханический спидограф или фото- (лазеро-) электрическая установка для определения скорости одиночных движений.

Самым простым из них является электромеханический спидограф , состоящий из лентопротяжного механизма с отметчиками времени и расстояния. К ним присоединена через катушку с тормозом леска, другой конец которой крепится к поясу спортсмена. Во время бега (или плавания, гребли и т.п.) вытягивание лески приводит к замыканию контактов, и писчики отмечают на ленте время (через каждые 0,02 с) и расстояние (через 1 м).

Более предпочтительной в этом смысле является фотоэлектронная установка . Она состоит из фотоэлементов, усилителя и регистрирующего устройства (электронных часов, осциллографа, самописца и т.п.). Фотоэлектронные датчики располагаются в определенных точках дистанции (например, через каждые 3 м для бега на 30 м или через каждые 5 м для бега на 100 м); при пересечении линии датчиков изменяется их освещенность, и ВИУ срабатывает.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОМЕХАНИКЕ

Постановка задачи и выбор методик исследования. Понятие об измерительной системе (датчики, передача, преобразование, регистрация информации).

Расчетные методы (определение координат, скоростей, ускорений, сил, моментов сил).

Постановка задачи и выбор методик исследования.

Биомеханика как естественная наука в значительной мере базируется на экспериментальном исследовании изучаемых явлений. В самом исследовании выделяют три последовательных этапа: измерение биомеханических характеристик, преобразование результатов измерения, биомеханический анализ и синтез. Использование вычислительной техники позволяет выполнять эти действия одновременно.

Для количественной оценки того или иного явления используются только объективные (инструментальные) методы исследования.

Конкретный метод выбирают исход из задачи и условий проведения эксперимента. В биомеханике к методу исследования и обеспечивающей его аппаратуре предъявляются следующие основные требования:

- метод и аппаратура должны обеспечивать получение достоверного результата, то есть степень точности измерений должна соответствовать цели исследования;

- метод и аппаратура не должны влиять на исследуемый процесс, то есть не должны искажать результаты и мешать испытуемому.

При проведении исследования желательно придерживаться принципа объективной срочной информации (В.С. Фарфель, 1961), то есть информации о главном факторе спортивного движения должна поступать либо во время выполнения движения, либо сразу после его окончания.

Выбор метода исследования в первую очередь определяется характером изменения контролируемой величины во времени. По этому признаку биомеханические характеристики могут быть разделены на биомеханические параметры и биомеханические переменные.

Биомеханические параметры – это такие характеристик, значения которых не изменяются в течение всего процесса измерения (например, масса тела, момент инерции и координаты ОЦТ в фиксированной позе, вес снаряда). Величина параметров может быть неизвестна, но она не изменяется.

Биомеханические переменные – это характеристики, величина которых в процессе измерения меняется, как правило случайным образом (силы, ускорения, координаты и т.п.).

Требования к точности измерений в биомеханике спорта, прежде всего определяются целью и задачами исследования, а также особенностями самого движения. Считается достаточным, если погрешность при измерении не превышает ±5%.

Преобразование результатов измерений применяется для повышения точности полученных результатов (статистическая обработка) и определения расчетным путем непосредственно не измеряемых биомеханических характеристик.

Расчетные методы базируются на использовании законов механики (статики и динамики точки, тела, системы тел), а также статистических данных о геометрии масс тела человека. Эти данные могут быть представлены в виде таблиц, характеризующих связь массы отдельных сегментов тела человека с его общим весом (весовые коэффициенты); характеризующих связь длины сегмента с расстоянием до его ЦТ (радиусы центров тяжести). Эти данные могут быть представлены также в виде коэффициентов регрессии (парной и множественной) .

Понятие об измерительной системе (датчики, передача, преобразование, регистрация информации).

В основе инструментальных методов биомеханического контроля лежат измерительные системы. Типовая схема измерительной системы состоит из шести блоков.

1. Объект измерения.

2. Воспринимающее устройство.

3. Преобразователь.

4. Вычислительное устройство.

5. Передающее устройство.

6. Индикатор (записывающее устройство).

Воспринимающее устройство или датчик. Его основное назначение – восприятие физических величин. При исследованиях в спорте чаще всего используются следующие датчики.

Фотодиоды (или фотоэлементы). Используются для измерения временных отрезков.Их входная величина – освещенность, выходная – постоянный ток. Фотодиоды чувствительны в диапазоне от 0 до 500 гц и имеют погрешность в 1-3%, что недостаточно при особо точных измерениях.

Реостатные датчики (потенциометры). Используются для измерения линейных и угловых перемещений, могут использоваться для измерения усилий. Входная величина потенциометра – угловое перемещение, выходная – изменение сопротивления. У него сравнительно небольшая погрешность, высокая чувствительность.

Тензорезисторы. Используются для измерения усилий. Использование тензорезисторов позволяет превратить любой спортивный снаряд в средство для изучения движения. В основе действия тензорезисторов лежит тот же физический принцип, что и у реостатных датчиков – изменение геометрических размеров проводников вызывает изменение электрического сопротивления датчика. R = r l / q – сопротивление прямо пропорционально удельному сопротивлению и длине проводника, и обратно пропорционально площади его сечения. Изменения длины и площади сечения в пределах упругости материала пропорциональны силе действия. Входная величина тензорезисторов – перемещение, выходная – изменение сопротивления. К достоинствам этих датчиков относятся: малая погрешность измерений, устойчивость к вибрациям. К недостаткам – низкая чувствительность, необходимость тщательного приклеивания. Наиболее существенной для тензорезисторов является температурная погрешность.

Акселерометры предназначены для измерения ускорений. Линейные ускорения точек тела человека изменяются весьма значительно (например, при замахе и ударе по мячу – от 200 до -1000 м/с 2). Поэтому для достижения максимальной точности измерений акселерометры подбираются по своим характеристикам для измерения вполне конкретных классов движений.

Применение акселерометров ограничивается тем, что датчик измеряет не ускорение движения тела, а равнодействующую линейного ускорения и ускорения силы тяжести. Для определения искомого ускорения надо знать ориентацию датчика относительно вертикали в каждый момент времени, то есть измерение должно сопровождаться стереокиносъемкой. Но при изучении ударных движений это не обязательно.

Электроды – игольчатые и накожные – предназначены для снятия биопотенциалов с работающих мышц.

Преобразователи (они же блок питания датчиков и усилители) могут быть самыми различными – от самодельных устройств до стандартных многоканальных. Позволяют усиливать сигналы с датчиков до уровня, достаточного для использования регистрирующего прибора.

Вычислительное устройство сравнивает сигнал с эталоном (калибровочным сигналом) и по проводам или с помощью радиотелеметрии передает результат на индикатор, либо записывающее устройство.

В некоторых случаях измерительная система не включает в себя вычислительное устройство и анализ материалов производится отдельно с использованием полуавтоматических дешифраторов или даже вручную. В таких случаях о соблюдении принципа срочной информации говорить не приходится.

Для регистрации данных могут использоваться самописцы (например, электрокардиограф), пишущие осциллографы, печатающие устройства. Они обладают своими достоинствами и недостатками. Так у самописцев при записи быстротекущих процессов может быть слишком большая инертность. Светолучевые (шлейфные) осциллографы лишены этого недостатка, но зато обработка пленки занимает много времени и есть опасность испортить кинопленку при обработке (да и раздобыть такую пленку не так просто). Запись сделанную ультрафиолетовым лучом на фотобумаге УФ не надо обрабатывать, но саму запись не увеличить для дешифровки.

Экспериментальные методы определения биомеханических параметров (оптические и оптико-электронные, механоэлектрические, измерения временных интервалов, комплексные).

Для регистрации биомеханических параметров используются методы, заимствованные из многих областей знаний. Эти методы удобно разбить на оптические, оптико-электронные, механоэлектрические, комплексные.

Оптические методы регистрации движений. В зависимости от задач исследования могут применяться:

1. 1. Обычная фотография для определения структуры позы.
2. 2. Фотография с многократной экспозицией – для получения информации о движениях в плоскости съемки. При использовании этих видов фотосъемки тремя синхронизированными аппаратами получают изображение объекта в трех плоскостях.
3. 3. Циклографическая (стробографическая) съемка. Производится через обтюратор или с использованием пульсирующих маркеров, а также источников света. Позволяет получить готовый достоверный промер движения.
4. 4. Стереостробофоторафия. Ее достоинством является документальная точность локализации точек в кадре по трем координатам в последовательные моменты времени, интервалы между которыми заданы электронным, а не механическим устройством.
5. 5. Киносъемка – общедоступный информативный педагогический и биомеханический метод исследования движений в спорте. В зависимости от скорости протяжки пленки аппаратура делится на стандартную (24 к/с), «лупу времени» (до 300 к/с), и специальные высокочастотные (до 5000 к/с) кинокамеры.

Фото- и кинопленка является материалом для расчетов механических характеристик движения, точность которых зависит от достоверности снятия исходных координат, что в свою очередь, является следствием правильности организации съемки.

Испытуемый должен быть в плотно облегающем костюме с контрастными метками над осями суставов. Место исследования выбирают исходя из размаха перемещений объекта. Освещение должно обеспечивать достаточную кратковременность экспозиции. Для уменьшения искажений по краям снимка используют длиннофокусные объективы. Оптимальное расстояние между объективом и объектом (Е 0) определяется по формуле:

Е 0 = V F k / C f , где V – скорость объекта, м/с, F – фокусное расстояние, см, k – отношение времени экспонирования ко времени смены кадров, С разрешающая способность аппарата, см, f – частота киносъемки, к/с.

Оптико-электронная регистрация движений преимущественно осуществляется с помощью видеозаписи. В этом случае движения могут быть сразу же воспроизведены на экране и использоваться для прикладного педагогико-биомеханического анализа. Однако для количественной оценки техники обычные видеомагнитофоны не подходят из-за низкой разрешающей способности. В связи с этим созданы специализированные видеомагнитофоны (так называемое Speed - Video ). В комплексе с вычислительным устройством они позволяют давать срочную количественную оценку движений.

По материалам кино- и видеосъемки, проведенной с соблюдением всех технических требований к их организации, можно определить ряд механических характеристик положения или движения тела. Обычная фотография или кадр пленки является документом для определения в плоскости съемки следующих показателей.

1. координат центров тяжести звеньев или ОЦТ тела;
2. моментов сил тяжести звеньев;
3. суставных углов;
4. моментов и углов устойчивости;
5. моментов инерции звеньев и тела.

Анализ нескольких кадров связан с прослеживанием этих же характеристик во времени.

Зависимость координат точек тела от времени представляет закон их движения в выбранной системе координат. Эти данные необходимы для количественной оценки качества движений. Динамика суставных углов, моментов сил тяжести и условий работы мышц составляет предмет анализа движений человека как биомеханической системы, управляемой ЦНС. Изменения момента инерции тела раскрывает механизм построения сложных вращательных движений.

Механоэлектрические методы определения биомеханических характеристик. Оптические и оптико-электронные методы исследования не позволяют (за редким исключением) проводить количественную оценку движения сразу после измерения, так как получению конечного результата предшествуют этапы химической обработки материалов (не всегда) и расчета по ним биомеханических характеристик. Это существенно ограничивает возможность использования результатов исследования в тренировочном процессе. Механоэлектрические методы в значительной мере свободны от этого недостатка. Они заключаются в преобразовании измеряемой механической величины в электрический сигнал и последующем измерении (или регистрации) и анализе его.

Основным преимуществом механоэлектрических методов измерения биомеханических переменных являются оперативность получения измеряемых характеристик и возможность автоматизации расчета непосредственно не измеряемых характеристик. Самым распространенных из этой группы методов является тензодинамометрия. В процессе выполнения упражнения человек механически взаимодействует с внешними телами (опорой, снарядом, инвентарем). Эти тела деформируются. Причем величина деформации как правило пропорциональна силе воздействия. Для регистрации этих деформаций чаще всего используются тезодатчики, но могут применяться и реостатные датчики.

В большинстве случаев тензометрическая аппаратура используется непосредственно для определения силовых характеристик спортивных движений и изучения на этой основе динамической структуры двигательных действий.

Широкое распространение получили тензоплатформы – устройства, позволяющие определять взаимодействие человека с опорой при отталкивании. Составляющие реакции опоры (вертикальная и горизонтальные) регистрируются независимо от точки контакта с прибором.

Стабилометрия. С помощью тензометрической аппаратуры можно исследовать также перемещение точки приложения усилия к тензоплатформе. Такое перемещение может происходить как из-за передвижения испытуемого, так и из-за изменения положения его ОЦТ при перемене позы. Для этих измерений требуется многокомпонентная тензоплатформа, с помощью которой измеряются отдельно составляющие реакции во всех опорах, установленных по углам платформы.

Акселерометрия. Одной из наиболее важных характеристик движения является линейное ускорение. определять его также можно также с помощью тензометрической аппаратуры. В данном случае тензодатчик регистрирует деформацию упругой пластины, связанной с движущимся объектом. Так как масса датчика ( m ) и упругость пластины ( C ) величины постоянные, то перемещение массы датчика относительно объекта будет пропорционально линейному ускорению объекта. Параметры акселерометра подбираются таким образом, чтобы собственная частота колебаний датчика, была в 3-4 раза больше максимальной частоты изучаемого процесса.

Гониометрия – измерение у человека углов в сочленениях тела. Суставной угол является важной биомеханической характеристикой, например при определении программы позы. От суставного угла зависит сила тяги мышцы (то есть ее длина и ее плечо относительно оси сустава).

Для непосредственного измерения суставных углов применяются механические и электромеханические гониометры. В последних используются реостатные потенциометры. Корпус потенциометра жестко связывается с одной из планок гониометра, а с другой – его ось.

Механография – запись движения. Осуществляется также с помощью потенциометров. Перемещающаяся точка соединяется малорастяжимой нитью с осью датчика. Движения с большой амплитудой могут быть зарегистрированы, если на ось потенциометра надеть кольцо (блок) соответствующего диаметра.

Электромиография – способ регистрации электрической активности мышц. Позволяет получать информацию непосредственно при выполнении физического упражнения. Можно выделить три основных направления использования электромиографии для изучения двигательной деятельности человека. 1. Характеристика активности отдельных двигательных единиц мышц. 2. Определение активности отдельных мышц в различных двигательных актах. 3. Характеристика согласования активности мышц, объединенных общим участием в движении. Для решения биомеханических задач используются главным образом второе и третье направления. При использовании электромиографии для изучения спортивных движений обычно применяются накожные электроды, но иногда используют и игольчатые. Накожные электроды могут быть моно- и биполярные. В любом случае электромиограмма может отражать электрическую активность тех мышц, над которыми находятся электроды, либо (при монополярном отведении) активность мышц, которые находятся между активными и индифферентными электродами.

Следует учитывать, что регистрируемая величина биопотенциалов зависит от трех факторов. От положения электродов относительно мышцы – при расположении вдоль волокон, а также вблизи от двигательной точки (место входа нерва в мышцу) потенциалы больше. От электропроводности кожи – кожу следует обезжиривать эфиром. От формы и размеров электродов – следует пользоваться одними и теми же или, в крайнем случае, одинаковыми.

В любом случае электромиограмма может использоваться как показатель состояния механизмов координации движений в качестве эквивалента механических явлений (напряжения, тяги), возникающих в мышце при ее возбуждении. Н.В. Зимкин и М.С. Цветков (1988) показали, что по сглаженной электромиограмме можно судить об участии в движении мышечных волокон разного типа (быстрых, промежуточных и медленных), а следовательно и о составе мышцы. Сглаженную электромиограмму проще обрабатывать, чем натуральную, по сглаженной электромиограмме можно рассчитывать скорость возбуждения мышцы .

Методы измерения временных показателей. Если траектория известна заранее, а амплитуда движения велика (несколько метров), то регистрировать время прохождения отрезков можно с помощью фотодатчиков. Сигналы от датчиков либо выключают электросекундомеры (каждый датчик – свой секундомер), либо регистрируются самописцем (осциллографом). В последнем случае точность метода определяется точностью отметчика времени, либо точностью лентопротяжного механизма. Степень достоверности результатов прямо зависит от числа установленных на дистанции датчиков.

Комплексные способы исследования. Целью биомеханики является исследование как физических возможностей спортсмена, так и способов решения определенной двигательной задачи. В процессе исследования необходимо выяснить закономерности построения движений, определить взаимосвязь между механическими и биологическими характеристиками, отражающими координацию движений. Эта задача является весьма сложной, так как зависимость между мышечным напряжением и движением не является однозначной, указывал Н.А. Бернштейн. Причиной движения звеньев тела является напряжение мышц, которое обусловлено как степенью возбуждения, так и степенью растяжения мышцы. Таким образом, перемещение звена изменяет длину мышцы и как следствие, ее напряжение.

Комплексная регистрация биологических и механических характеристик движения является необходимым условием изучения закономерностей управления движениями человека. Она возможна при одновременной записи электрофизиологических и биомеханических показателей движения. Когда регистрируется электрическая активность мышц и внешняя картина движения (кинограмма, циклограмма, тензодинамограмма, гониограмма, механограмма). При записи этих процессов на различные носители возникает необходимость в применении специальных устройств для синхронизации записи. Одно из таких устройств описано в [ 4, С. 60 ] .

При использовании механо- и (или) тензодинамографии задача синхронизации записей решается проще, так как они осуществляются на одной и той же ленте.

Итак, к настоящему времени доказана необходимость и исключительная ценность использования многоканальной одновременной регистрации параметров кинематики, динамики и электрической активности мышц для установления связи между различными феноменами движений и их причинами, а так же для реализации идеи оптимального управления тренировочным процессом.

Однако использование в естественных условиях с целью комплексной оценки технического мастерства спортсменов, информативных инструментальных методов (тензо-, механо-, электромиографии, киносъемки и др.) обычно связано с большими организационными и методическими трудностями.

Вместе с тем доказано, что в искусственно созданных условиях, обеспечиваемых использованием тренажера, можно получить достоверную информацию о той или иной стороне технической или физической подготовленности. Кроме того, упрощенная структура упражнения позволяет с большей вероятностью оценить характер изменения физического компонента, так как уменьшается влияние технического компонента на результат. И хотя тренажер никогда не заменит целостное движение, есть множество данных о том, что тренажерно-исследовательский комплекс может успешно решать задачи срочной достоверной информации, а также определения того состояния спортсмена, которое гарантирует ему достижение желаемого результата на соревнованиях.

Расчетные методы изучения движений (определение координат, скоростей, ускорений, сил, моментов сил).

Содержательные выводы могут быть сделаны на основании надежной достоверной информации. Отсюда следует, что методы и аппаратура, применяемые в биомеханических исследованиях, должны обеспечивать получение достоверных результатов. Это означает, что степень точности измерений должна соответствовать цели исследования, а методы и аппаратура не должны влиять на исследуемый процесс, то есть не должны искажать результат и мешать испытуемому.

На первый взгляд этим требованиям вполне отвечают (косвенные измерения, механико-математическое моделирование), основанные на использовании физических закономерностей и статистических данных о геометрии масс тела человека (т аблицы и иллюстрации содержатся в ). Расчетные методы используются при решении прямой и обратной задач динамики. При этом в качестве исходных данных обычно используются кинематические или динамические характеристики, то есть анализ производится с начального или конечного звена явлений, составляющих объект биомеханических исследований (механическое движение человека, причины и проявления этого движения).

Расчетные методы часто применяются для косвенного определения биомеханических характеристик, которые по разным причинам не могут быть измерены (зарегистрированы) непосредственно, например, в условиях соревнований.

Видные биомеханики Д.Д. Донской и С.В. Дмитриев (1996) констатируют, что «…развитие точной регистрирующей аппаратуры и компьютеризация исследований двигательных актов захватили исследователей построением механико-математических моделей, очень сложных и эффективных в раскрытии тончайших деталей движения (особенно в инженерной и медицинской биомеханике)». Мы не вправе оспаривать это утверждение полностью, но эффективность применения механико-математического моделирования для решения некоторых задач биомеханики спорта подвергается сомнению многими не менее известными исследователями.

В отечественной научно-методической литературе возможности расчетных методов продемонстрированы в единичных работах, подтвердивших общеизвестные истины, например, при определении ведущих элементов техники в спортивной гимнастике (Ю.А. Ипполитов, 1997), выделении факторов, обеспечивающих результат в прыжках на лыжах с трамплина (Н.А. Багин, 1997), выявлении зависимости между кинематикой и динамикой вращений в фигурном катании на коньках (В.И. Виноградова, 1999). Авторы продемонстрировали высочайшую эрудицию, но во всех случаях расчетные результаты значительно отличались от результатов, полученных прямым измерением в аналогичных условиях.

Теоретически это объясняется тем, что в основе классических расчетных методов в биомеханике лежит гипотеза эквивалентности неживой и живой массы. Данная гипотеза предполагает, что биологическое тело не меняет своей внутренней структуры под воздействие управляющих сил и моментов, а также пребывает в неизменной позе. Если это условие не выполняется, то методы классической биомеханики становятся неприменимыми.

Экспериментальные исследования, проводившиеся в течение многих лет в лаборатории биомеханики ВНИИФКа, показали, что «…ограниченность классических расчетных методов для получения по перемещениям точек данных о величинах ускорений и сил в двигательных действиях с изменением позы, вытекает из тех обстоятельств, что в настоящее время нет возможностей для объективной оценки направлений смещения внутренних органов, масс крови и лимфы. В рамках алгоритмов расчетов также не учитывается передача сил или энергии от звена к звену или их поглощение и рассеивание» (И.П. Ратов, Г.И. Попов, 1996). Эти же авторы экспериментально подтвердили мысль Н.А. Бернштейна о том, что не существует однозначной связи между мышечным напряжением и механическим движением (так как каждое движение – результат взаимодействия активных и реактивных сил) и показали, что в биомеханических системах функция «сила-ускорение» – нелинейная, то есть значительные ускорения при перемещении масс могут не приводить к появлению усилий.

Таким образом, недостатком расчетных методов вообще и особенно механико-математического моделирования является то, что «…разработанные модели движений человека (сомнительно адекватные живому телу человека и его движениям) пытаются «начинить» среднестатистической геометрией масс и реальной кинематикой живых упражнений» (М.Л. Иоффе с соавт., 1995). «Результаты такого подхода плачевны как с научной, так и с практической точек зрения», – подчеркивает Н.Г Сучилин (1998).

Литература. 1. Годик М.А. Спортивная метрология: учебник для ИФК. – М.: Физкультура и спорт, 1988. С. 57-66.

2. Зациорский В. М., Аруин А. С, Селуянов В. Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. – М.: Физкультура и спорт, 1981. – 143 с.

3. Зимкин Н.В., Цветков М.С. Физиологическая характеристика особенностей сократительной деятельности мышц у спринтеров и стайеров // Физиология человека. – 1988. – Т.14. – № 1. – С. 129-137.

4. Практикум по биомеханике: Пособие для ин-тов физ.культ /Под общ. ред. к.б.н. И.М. Козлова. – М.: Физкультура и спорт, 1980. – 106 с.

5. Селуянов В.Н., Чугунова Л.Г.Расчет масс-инерционных характеристик тела спортсменов методом геометрического моделирования // Теория и практика физической культуры.– 1989. – № 2. – С. 38-39.

6. Сучилин Н.Г., Аркаев Л.Я., Савельев В.С. Педагогико-биомеханический анализ техники спортивных движений на основе программно-аппаратного видеокомплекса // Теория и практика физической культуры. – 1995. – № 4. – С.12-21 .

7. Шафранова Е.И. Методы обработки биоэлектрической активности мышц // Теория и практика физической культуры. – 1993. – № 2. – С. 34-44; № 3 – С. 16-18.

8. Уткин В.А. Биомеханика физических упражнений: Учеб. пособие для ф-тов физвоспитания. – М.: Просвещение, 1989. – С. 56-79.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ (2 часа)

Шкалы измерений (наименований, порядка, интервалов, отношений).

Задачи обработки биомеханических измерений. Обработка результатов проводится для оценки погрешности полученных данных, а также для определения расчетным путем непосредственно не измеряемых биомеханических характеристик.

Оценка погрешностей, а также их уменьшение путем дальнейшей обработки результатов измерений имеет в в биомеханических исследованиях спортивных движений первостепенное значение, поскольку специфические требования к методам исследования не позволяют применять высокоточные, но громоздкие измерения. Для решения этой задачи была разработана математическая теория ошибок измерений. Ниже в кратком виде будут даны основные рекомендации по оценке погрешностей и уменьшению их влияния на конечный результат.

Не все биомеханические характеристики могут быть непосредственно измерены с соблюдением требований, предъявляемым к методам измерения в спортивных исследованиях. Но использование функциональной связи между искомыми и измеряемыми характеристиками позволяет, как правило, определять все интересующие исследователя биомеханические характеристики. Этот метод взят из техники, где он широко распространен, и носит название «метод косвенных измерений».

Расчет искомых биомеханических характеристик по данным косвенных измерений может производиться как в процессе измерения с использованием средств вычислительной техники, так и в процессе анализа результатов измерений после эксперимента. И в том, и в другом случае наличие погрешностей измерения накладывает определенные ограничения на методы обработки результатов косвенных измерений.

Оценка погрешности измерений и правильное, то есть выполненное в соответствии с ГОСТом, представление материалов измерений дает возможность сопоставлять результаты исследований, проводимых с помощью разных методов измерения или различными авторами. А это, в свою очередь, позволяет резко сократить число дополнительных исследований одних и тех же явлений и тем самым сократить длительность и стоимость биомеханических исследований вообще.

Погрешности измерений, классификация, источники и методы устранения. Погрешность измерения – разность результата измерения Х i и истинного значения измеряемой величины Х ист. : e = Х i – Х ист.

По способу определения различают абсолютные и относительные; а по происхождению – систематические и случайные, а также грубые погрешности (промахи).

Способ определения абсолютных погрешностей мы только что описали. Абсолютная погрешность выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина. За истинное значение обычно принимают результат, полученный с помощью более точного метода.

Относительная погрешность часто используется при проведении комплексного контроля, когда измеряются показатели разной размерности: e отн. = e / Х i *100%. Еще один довод за использование относительной погрешности – определение относительной погрешности необходимо для оценки возможности использования данной методики для исследования конкретного движения (ошибка не должна превышать ±5,0% измеряемой величины).

Систематические погрешности – это погрешности, значение которых остается неизменным (или меняется известным образом) от опыта к опыту. Следовательно, они могут быть исключены из окончательного результата, если их величина определена путем предварительной тарировки аппаратуры перед каждым экспериментом. Различают 4 группы систематических ошибок. 1. Причина возникновения известна и величина может быть определена достаточно точно (температурная погрешность, линейка с отломанным началом …). 2. Причина возникновения известна, а величина – нет. Эти ошибки зависят от класса измерительной аппаратуры и колеблются внутри предельной допустимой величины. Класс точности (1,0, 2,0 и т.д.) означает относительную погрешность измерений в процентах. 3. Происхождение и величина ошибки неизвестны. Такие ошибки проявляются в сложных измерениях, когда не удается учесть все источники возможных погрешностей. 4. ошибки, связанные со свойствами объекта измерения. Систематический контроль за спортсменами позволяет определить меру их стабильности и учитывать возможные погрешности измерений. Иначе трудно бывает отделить значимые сдвиги (например, при утомлении) от погрешностей измерения.

Для устранения систематических погрешностей используют два способа. Первый – это тарировка аппаратуры – проверка показаний приборов с использованием эталонов во всем диапазоне возможных значений измеряемой величины. Второй способ – это калибровка – определение погрешностей и величины поправок.

Случайные погрешности вызываются неконтролируемыми, изменяющимися от опыта к опыту причинами. Случайные погрешности проявляются при одновременном действии очень большого числа не зависимых друг от друга причин, каждая из которых оказывает малое влияние на результат измерения, но в совокупности эти причины дают заметный эффект. Случайная погрешность по самой своей природе не может быть учтена и компенсирована в процессе проведения эксперимента.

Грубые погрешности (промахи) по характеру существенно отличаются от случайных. Если случайные погрешности возникают при исправной аппаратуре и правильных действиях экспериментатора, то причиной возникновения промахов являются неисправности и (или) ошибки в работе. Грубые погрешности обнаруживаются по резкому выпадению результата из общего ряда полученных чисел, что, как правило, находится в резком противоречии с физической картиной явления.

Обработка результатов прямых и косвенных измерений биомеханических параметров и переменных. Методы оценки и уменьшения случайных погрешностей измерения биомеханических параметров и переменных существенно различаются.

Обработка результатов измерений биомеханических параметров. Основным способом уменьшения случайных погрешностей при измерении биомеханических параметров является проведение повторных измерений и обработка их результатов.

Обработка результатов прямых измерений биомеханических параметров. При отсутствии точных сведений о физических причинах наблюдаемого разброса результатов измерений за наиболее вероятное значение измеряемой величины принимают оценку математического ожидания результатов измерений, то есть. Степень достоверности полученного результата можно оценить величиной интервала ± q внутри которого с заданной вероятностью α будет находиться величина: = t * S x , где t – критерий Стьюдента для числа равного n -1; S x – средняя ошибка средней арифметической.

Обработка результатов косвенных измерений биомеханических параметров. В ряде случаев интересующая нас величина не измеряется непосредственно, а вычисляется как функция измеренных значений каких-то других величин. Например, то есть. В таких случаях для расчета средней арифметической и средней ошибки средней арифметической сначала определяют наиболее вероятные значения измеряемых параметров (угла и скорости вылета) и их средние ошибки. В дальнейшем предполагается, что погрешности определения параметров малы по сравнению с их истинными значениями, а измерения каждого из параметров проводились независимо друг от друга. Это допущение справедливо для подавляющего большинства случаев биомеханических косвенных измерений. Тогда наиболее вероятное значение длины полета вычисляется по средним значениям скорости и угла вылета: . Средняя ошибка рассчитывается так: .

Обработка результатов измерения биомеханических переменных. Биомеханические переменные (координаты, скорости, ускорения) в процессе движения представляют собой случайные функции времени. Результатом их измерения являются, как правило, таблицы значений, зафиксированных через определенные промежутки времени, либо графики, начерченные самописцем (осциллографом). Повторные измерения принципиальное не могут повысить точность результата из-за вариативности движений человека. Одновременное измерение искомой переменной с помощью нескольких однотипных приборов с последующей обработкой не рекомендуется из-за громоздкости аппаратуры и влияния этого фактора на измеряемый процесс.

Относительно простым способом повышения точности измерения биомеханических переменных является использование различия частотного состава измеряемого процесса и возникших при измерении случайных погрешностей (помех), то есть при работе аппаратуры на синусоиду процесса (1) накладывается синусоида ошибки (2).

Характер погрешностей при этом можно определить путем пробных записей в случае, когда измеряемая переменная равна нулю или постоянна. Например, при отсутствии движения.

Устранить погрешности при записи можно сглаживанием сигнала с помощью фильтра, коэффициент передачи которого определяется по формуле:, где f – частота входного сигнала, R – сопротивление резисторов, С – величина емкости конденсатора. Расчеты выполняются отдельно для частоты сигнала процесса и частоты сигнала помехи, затем сравниваются коэффициенты передачи измерения и помехи.

Сглаживанию можно подвергать и табличные данные. Эта процедура обязательно применяется тогда, когда по табличным данным рассчитывают производную измеренного сигнала, то есть по координатам рассчитывают скорости и ускорения. Практически это выполняется таким образом, что перемещения, а затем разности скоростей рассчитываются не между соседними кадрами, а через 1 или более кадров.

Если результат представлен в виде графика, на котором измеряемый процесс содержит высокочастотную погрешность, то можно выполнить графическое усреднение путем нанесения средней линии между высокочастотными колебаниями процесса.

Погрешность динамических измерений определяют экспериментально с помощью проверки измерительной аппаратуры (тарировка) в условиях близких к условиям ее практического использования (по силе, скорости процесса).

Щкалы измерений (наименований, порядка, интервалов, отношений).

Шкала	Характеристики	Математические методы	Примеры
Наименований (номинальная)	Объекты сгруппированы, а группы обозначены номерами. То, что номер одной бруппы больше или меньше номера другой группы, ничего не говорит об их свойствах, кроме того, что они различаются	Число случаев. Мода. Тетрахорические и полихорические коэффициенты корреляции	Номер спортсмена, амплуа, специализация, вид спорта и т.д.
Порядка (ранговая)	Числа присвоенные объектам, отражают количества свойств, принадлежащих данным объектам. Возможно установление соотношения «больше» или «меньше»	Медиана. ранговая корреляция. Ранговые критерии. проверка гипотез методами непараметрической статистики	Результаты ранжирования спортсменов в тесте
Интервалов	Существует единица измерений, при помощи которой объекты можно не только упорядочить, но и приписать им числа так, чтобы равные разности означали равные различия в количестве измеряемого свойства. Нулевая точка произвольна и не указывает на отсутствие свойства	Все методы статистики, кроме определения отношений (например, градусы не суммируют и не вычитают, градусы на градусы на делят и не умножают)	Температура тела, суставные углы
отношений	Числа, присвоенные объектам, обладают всеми свойствами интервальной шкалы. На шкале есть абсолютный нуль, который соответствует полному отсутствию какого-либо свойства у объекта. Отношения чисел, присвоенных объектам после измерений, отражают количественные отношения измеряемого свойства	Все методы статтистики	Длина, масса, скорости, ускорения, сила и т.д.

Представление результатов измерений. Правильное представление результатов биомеханических измерений является важным фактором обеспечения достоверности и наглядности результатов биомеханических исследований. При представлении результатов следует придерживаться следующих правил. 1. Все записи, касающиеся исследования, должны вестись полно и аккуратно, быть вполне понятными любому достаточно квалифицированному читателю. 2. Все результаты наблюдений (измерений), а также вычисленный по ним окончательный материал следует приводить вместе с погрешностями. Для каждой величины должна быть указана размерность в соответствии системой СИ. 3. Число и его погрешность следует записывать так, чтобы их последние цифры принадлежали к одному и тому же десятичному разряду. 4. Ошибка, получающаяся в результате вычислений должна быть примерно в 10 раз меньше погрешности измерений.

При изучении биомеханических переменных результаты могут быть представлены в виде графика. Основное достоинство графика – наглядность. График должен быть таким, чтобы можно было сразу охватить вид полученной зависимости, получить о ней количественное представление и отметить наличие различных особенностей – максимума, минимума, областей наибольшей и наименьшей скоростей изменения, периодичности и т.п. При вычерчивании графика следуют правилам. 1. График строят на миллиметровой бумаге, или бумаге с координатными сетками. 2. По оси абсцисс (Х) откладывают ту величину, которая вызывает изменения других величин (время – всегда). На осях обязательно указывают обозначение и размерность соответствующей величины. 3. Масштаб графика определяется погрешностью измерения величин, отложенных по осям (либо исходя из правил группировки данных). Масштабы по осям могут быть разными. Шкала должна легко читаться, поэтому одна клетка масштабной сетки должна соответствовать удобному числу (1, 2, 5, 10 …) единиц изображаемой на графике величины. 4. На графике приводится только экспериментально определенная область изменений показателей; не следует стремиться к тому, чтобы график начинался из точки с координатами 0; 0. 5. Что касается нанесения кривой, то есть два мнения. Одни считают, что линия должна быть плавной, другие считают, что точки на графике следует соединять прямыми линиями – то есть не заходить в гипотетические области (получается ломанная линия). 6. Заголовок должен указывать, что изображено. Кривые должны быть подписаны, либо объяснены в заголовке.

Тестирование и педагогическое оценивание в биомеханике.

Тест – измерение или испытание, проводимое для определения состояния или способностей спортсмена. В качестве тестов могут быть использованы лишь те испытания, которые удовлетворяют следующим метрологическим требованиям. 1. Должна быть определена цель тестирования. 2. Процедура должна быть стандартизирована. 3. Должна быть определена надежность и информативность теста. 4. Должна быть разработана система оценок результатов тестирования. 5. Должен быть указан вид контроля (оперативный, текущий, этапный).

В зависимости от цели тестирования тесты могут быть разделены на несколько групп. 1. Показатели, измеряемые в покое – оценка физического состояния или определение уровня «фона» для «динамических» исследований. 2. Стандартные тесты – все испытуемые выполняют одинаковые задания, нагрузка при этом не предельная и, таким образом, нет мотивации на достижение максимального результата. 3. Тесты с максимальной нагрузкой – их результат зависит от подготовленности и от мотивации.

В зависимости от количества факторов, определяющих результат теста, различают гетеро- и гомогенные тесты. Первых большинство.

Как правило, оценка уровня подготовленности проводится с помощью батареи тестов.

Определение цели тестирования выбирается исходя из существования трех разновидностей (оперативный, текущий, этапный) и трех направлений контроля (соревновательной деятельности, тренировочной деятельности, уровня подготовленности).

Разновидности и направления комплексного контроля в спорте

(по М. Годику, 1988)

Разновидности контроля	Направления контроля
	соревновательной деятельности	тренировочной деятельности	подготовленности (в лаборат. условиях)
Этапный	Измерение и оценка различных показателей на соревнованиях, завершающих к.-л. этап подготовки, либо на всех соревнованиях этапа	Построение и анализ динамики характеристик нагрузки на этапе подготовки. Суммирование нагрузок по всем показателям за этап и определение их соотношения	Измерение и оценка показателей и контроля в специально организованных условиях в конце этапа подготовки
Текущий	Измерение и оценка показателей на соревновании, завершающем микроцикл (или оно предусмотрено календарем)	Построение и анализ динамики характеристик нагрузки в микроцикле. Суммирование нагрузок по всем показателям за микроцикл и определение их соотношения	Регистрация и анализ повседневных изменений подготовленности спортсменов, вызванных систематическими тренировочными занятиями
Оперативный	Измерение и оценка показателей на любом соревновании	Измерение и оценка физических и физиологических характеристик нагрузки упражнений, серии упражнений, тренировочного занятия	Измерение и анализ показателей информативно отражающих изменение состояния спортсменов во время выполнения или срезу после выполнения упражнения или после занятия

Стандартизация измерительных процедур обуславливает точность результатов контроля. Достигается тем, что режим дня накануне тестирования, разминка, исполнители, схема и условия тестирования, интервалы отдыха и двигательная установка при тестировании должны быть неизменными.

Надежность и информативность теста. Надежность теста – степень совпадения результатов при повторном тестировании одних и тех же людей в одинаковых условиях. Наиболее простым способом определения надежности является расчет коэффициента парной корреляции результатов первого и второго тестирования. Надежность теста считается приемлемой при r ³ 0.70.

Информативность (валидность) теста – свойство теста достаточно полно отражать сущность изучаемого процесса. Информативность теста можно определить логически и эмпирически. Суть логического метода состоит в логическом (качественном) сопоставлении характеристик критерия и теста. эмпирический метод заключается в проведении корреляционного анализа критерия и результата теста.

В качестве критерия могут быть использованы – 1. результат в соревновательном упражнении. 2. наиболее значимые элементы соревновательного упражнения. 3. результаты тестов, информативность которых доказана. 4. сумма очков испытуемого при выполнении батареи тестов.

При использовании в качестве критерия спортивной квалификации, сравнивают средние значения показателей у спортсменов различной квалификации (применяют t -критерий Стьюдента). Если различия достоверны – тест информативен.

Помимо надежности и информативности тесты характеризуются также стабильностью, эквивалентностью и согласованностью.

Стабильность – разновидность надежности в случае значительного разведения во времени теста и ретеста. Высокая стабильность теста свидетельствует о стабильности исследуемого качества.

Эквивалентность теста – степень совпадения результата в данном тесте с результатами в других тестах при исследовании одного и того же признака (например, подтягивания и отжимания, прыжки с места в длину и в высоту).

Согласованность тестов – независимость результатов тестирования от личных качеств исследователя. Даже при проведении инструментальных исследований кто-то может лучше мотивировать испытуемых, что и определяет величину согласованности.

Педагогическое оценивание – завершающий этап процедуры тестирования. Заключается в: 1. подборе шкалы для перевода результатов теста в очки. 2. преобразовании результатов в баллы. 3. сравнении достижений с нормами и выведении итоговой оценки.

Результаты можно просто ранжировать, но это не всегда справедливо. Поэтому нужно использовать специальные шкалы. Их может быть много. Основными считаются четыре шкалы: пропорциональная (а), прогрессирующая (б), регрессирующая (в), S -образная (сигмовидная) (г).

Выбор шкалы оценки зависит от того, в какой зоне следует стимулировать рост результатов.

В практике используют шкалы: стандартную, перцентильную, ГЦОЛИФКа.

В основе стандартной шкалы лежит пропорциональная. Стандартная шкала названа так потому, что масштабом в ней является стандартное отклонение ( S ). При построении этой шкалы используется закон нормального распределения, гласящий, что все возможные значения признака содержатся в интервале (правило трех сигм для генеральной совокупности: ). В этом случае обычно выделяют следующие зоны оценки (уровни проявления исследуемого признака:

Но эта шкала не позволяет давать точную оценку явления.

Наиболее распространена Т-шкала, где Т – результат в очках, – результат i -го участника, – результат группы, S – стандартное отклонение. Эта шкала более справедлива по сравнению с простым ранжированием.

Перцентильная (процентная) шкала. В ее создании лежит следующая операция – каждый испытуемый получает за свой результат столько очков, сколько процентов соперников он опередил. Эта шкала наиболее пригодна для оценки больших групп людей. Рассчитывают какое количество результатов укладывается в один перцентиль (процент) или сколько процентов приходится на одного человека. Данная шкала внешне напоминает сигмовидную – наибольшие изменения приходятся на середину диапазона.

Шкала ГЦОЛИФКа применяется для оценки результатов тестирования одного и того же спортсмена в различные периоды цикла или этапа подготовки: n = (лучший результат – оцениваемый результат / лучший результат – худший результат) х 100 (баллов). В данном случае результат теста рассматривается не как отвлеченная величина, а в связи с лучшим и худшим результатами.

Оценка комплекса тестов. Может выполняться с использованием регрессионного анализа. Уравнение типа У= а + b 1 x 1 + b 2 x 2 +…+ b n x n позволяет определить результат в соревновательном упражнении (У) по результатам тестов (х 1 , х 2 , …). Но надо иметь ввиду, что тесты должны быть неравнозначными. Важность (весомость) теста можно определить тремя способами. 1. Экспертная оценка – для важного теста вводится повышающий коэффициент. 2. Коэффициенты устанавливаются на основе факторного анализа. 3. Количественной мерой весомости теста может быть коэффициент парной корреляции с результатом в соревновательном упражнении. Это способы получения «взвешенной» оценки тестирования.

Второй вариант оценки комплексного контроля – построение «профиля» спортсмена – то есть графическое изображение результатов оценивания в отдельных тестах батареи. График наглядно показывает сильные и слабые стороны подготовленности.

Таблицы очков. В них максимальное количество очков (1000-1200) дается за результат, превышающий мировой рекорд, а результат новички оценивается в 100 очков. Далее идет какая-то из основных шкал. Выбор чисто субъективен. Трудно сравнивать различные виды спорта. Но эти шкалы нужны для определения хода командных соревнований и их результатов, а не уровня развития того или иного признака.

Таким образом, биомеханический контроль (с точки зрения метрологии) состоит из нескольких этапов.

Определение цели тестирования исходя из существования трех разновидностей (оперативный, текущий, этапный) и трех направлений контроля (соревновательной деятельности, тренировочной деятельности, уровня подготовленности).

I. Выбор теста (тестов) – определение его (их) надежности, информативности, а также стабильности, эквивалентности и согласованности на основе изучения научно-методической литературы или с использованием методов математической статистики. Определение процедуры тестирования. Выбор аппаратуры. Определение систематической погрешности измерений.

II. Тестирование (измерение) – регистрация биомеханических процессов в ходе двигательной деятельности с использованием инструментальных методов. Борьба со случайными погрешностями.

III. Обработка результатов тестирования с использованием соответствующих методов математической статистики в зависимости оттого, что измерялось (параметры или переменные). Выявление погрешностей, борьба с ними.

IV. Представление результатов исследования в текстовой, табличной или графической форме.

V. Выбор шкалы для оценивания результатов тестирования (пропорциональная, прогрессирующая, регрессирующая, S -образная, Т-шкала, перцентильная, ГЦОЛИФКа и др.).

VI. Оценивание результатов тестирования.

Литература.

1. Годик М.А. Спортивная метрология: учебник для ИФК. – М.: Физкультура и спорт, 1988. С. 10-44.

2. 2. Практикум по биомеханике: Пособие для ин-тов физ. культ /Под общ. ред. к.б.н. И.М. Козлова. – М.: Физкультура и спорт, 1980. – С. 65-75.

3. Уткин В.А. Биомеханика физических упражнений: Учеб. пособие для факультетов физвоспитания. – М.: Просвещение, 1989. – С. 33-56.

В настоящее время биомеханика обладает значительным арсеналом методов исследования локомоторной функции, как в статике, так и в динамике, причем изучается не только внешняя картина движения, но и механизмы управления, жизнеобеспечение организма, что дает возможность выявить целый комплекс параметров, характеризующих двигательный образ. В это понятие включаются не только внешние (механические) проявления движения и реакций окружающей среды, но и условия организации управления движениями, согласованная деятельность всех органов и систем организма. Получаемая в результате биомеханических исследований информация служит основой для определения нормы, позволяет количественно определить степень нарушения локомоторной функции при различных патологических состояниях. Биомеханические исследования достаточно широко используются не только в клинической медицине (функциональная диагностика, ортопедия, травматология, протезирование), но и в спорте, и при разработке различных антропоморфных механизмов (роботы, манипуляторы), и при решении других прикладных задач. Методическая база биомеханических исследований постоянно совершенствуется, используя новейшие достижения науки.

Методы исследования, получившие наибольшее распространение в настоящее время, в клинической биомеханике могут быть классифицированы следующим образом:

I. Соматометричские: антропометрия, фотограмметрия, рентгенография.

II. Кинезиологические: оптические, потенциометрия, электроподография, тензометрия, ихнография.

III. Клинико-физиологические: калориметрия, электромиография, электроэнцефалография и другие методы функциональной диагностики.

Соматометрия

Анропометрия

При клиническом и биомеханическом обследовании используются методы антропометрии с целью получения информации о половых и возрастных особенностях испытуемых об особенностях строения опорно-двигательного аппарата в норме и при патологии, важной информации об осанке. Обычно перед проведением специальных биомеханических исследований измеряют рост пациента стоя и сидя, длину конечностей, амплитуду движений в крупных суставах, определяют массу его тела. При помощи отвесов производят зарисовку диаграммы стояния - проекции на горизонтальную плоскость осей суставов нижних конечностей и таза. Это дает возможность составить представление об архитектонике нижних конечностей при удобном стоянии, определить величину разворота осей суставов в проекции на горизонтальную плоскость, угол разворота стоп, расстояние между внутренними поверхностями ног на различных уровнях и т.д.

Фотограмметрия

Поверхность спины при исследовании методом компьютерной топографии. А. - норма; Б. - кифосколиоз грудного отдела; В. - гиперлордоз поясничного отдела; Г. - выступающие крыловидные лопатки.

К антропометрическим методам сбора и анализа информации относится способ изучения схемы построения опорно-двигательного аппарата в виде так называемой фотограмметрии. Кратко техника фотограмметрии состоит в следующем: обследуемому предлагают принять естественную, наиболее привычную, удобную позу стояния. Перед ним устанавливают кадровую рамку с сантиметровыми делениями по горизонтальным и одной из вертикальных сторон. Через середину рамки натянута нить, служащая отвесом. Фотографируют и для графического анализа изготавливают фотоснимки, на которых измеряют расстояние в сантиметрах между передневерхними остями таза, наклон бедер по анатомическим осям относительно вертикали, расстояние между центрами коленных суставов, наклон голеней по анатомическим осям, угол физиологического вальгуса голеней, расстояние между центрами опоры стоп. Этот метод даст возможность определить возрастные особенности схемы построения опорно-двигательного аппарата в норме и при различных патологических состояниях.

Метод оптической компьютерной топографии

Стереофоторграммметрия с мнимым базисом. Геометрическая модель стереофотографии. Координаты фиксированной точки: X=90, Y=112, Z=-24 мм.

Важную информацию о геометрии тела человека, об особенностях и нарушении осанки можно получить при исследовании специальным методом компьютерной топографии. Этот современный и самый точный метод позволяет количественно с высокой точностью определить координаты любой анатомической точки поверхности тела. Продолжительность обследования составляет 1 - 2 минуты, поэтому этот метод с успехом применяется для массовых исследований.

Кинезиологические методы

Целенаправленные движения человека (локомоции) представляют собой устойчивый паттерн движения, характеризующийся определенными кинематическими, динамическими, временными и пространственными параметрами. Вся совокупность последних может рассматриваться как биомеханическое проявление двигательного образа, который складывается для каждого конкретного человека в период постнатального онтогенетического развития и претерпевает изменения в результате изменений на любом уровне двигательного анализатора в зависимости от возраста и условий функционирова¬ния жизнеобеспечивающих систем организма. Естественно, что регистрация кинезиологических параметров движения является необходимой для его характеристики, и при нарушениях функции опорно-двигательного аппарата, и при изучении локомоции спортсмена. Наиболее достоверные сведения о движении могут быть получены с помощью оптических методов, которые обеспечивают комплексную регистрацию любого количества точек тела человека и внешней обстановки относительно пространственно-временной координатной сетки и дают информацию о кинематике исследуемых точек в форме, удобной для математического анализа. Координаты же, как известно, есть тот материал, из анализа которого может быть почерпнуто максимальное количество сведений о протекании снятого движения. Циклография (от цикла… и…графия), метод изучения движений человека путём последовательного фотографирования (до сотен раз в секунду) меток или лампочек, укрепленных на движущихся частях тела. Впервые фотографирование фаз движения было предложено в 80-х гг. 19 в. французским учёным Э. Мареем. Н.А. Бернштейн в 20-х гг. 20 в. усовершенствовал и модифицировал Ц., например он предложил кимоциклографию - съёмку на передвигающуюся плёнку. На основе анализа циклограмм - циклограмметрии - для ряда движений были получены данные о траектории отдельных точек тела, о скоростях и ускорениях движущихся частей тела, что дало возможность вычислить величины сил, обусловливающих данное движение. Эти сведения легли в основу современных представлений о принципах управления движениями человека, использованы при изучении спортивных движений, двигательных нарушений и др. К Ц. близок метод киносъёмки движений с последующей обработкой кадров наподобие циклограмм. Наиболее простым и часто применяемым на практике видом киносъемки является фотограмметрия. Эта съемка представляет собой регистрацию движений человека и объектов окружающей среды в плоскости, перпендикулярной оптической оси аппарата. При этом аппарат устанавливается так, чтобы в его поле зрения находилось все, что будет подвергнуто изучению и последующему анализу. Полученные с помощью оптических методов регистрации экспериментальные данные подвергаются математической обработке. В качестве датчиков («светящихся точек») для получения кинематических характеристик движений конечностей применяют метки или электрические лампочки, которые укрепляют на исследуемых суставах. Снаряжение испытуемого почти невесомо, поэтому оно не вносит никаких изменений в структуру двигательного образа. Конвергентная стереофотограмметрическая съемка и зеркальная циклограмметрия тождественны. Действительно, зеркальная циклограмметрическая съемка под углом а (угол между главной оптической осью киноаппарата и плоскостью зеркала - угол съемки) есть не что иное, как съемка двумя аппаратами, оптические оси которых конвергируют под углом а. Вычисление пространственных координат производится по формулам математической зависимости между пространственными координатами помещения (в случае, если съемка производится в камеральных условиях) и координатами перспективных изображений. Кроме аналитических методов, в настоящее время нашли широкое распространение различные номографические приемы, основанные на известных положениях синтетической геометрии. Номограмма, с помощью которой осуществляется обработка изоинформации, представляет собой функциональную сетку и служит для получения реальных (действительных) координат любой фиксированной точки на сегменте или суставе конечности.

Электромеханические методы

В настоящее время в биомеханических исследованиях ши¬рокое распространение получили, наряду с оптическими, и электрические методы регистрации. Это можно объяснить в первую очередь тем, что информация, представленная в виде электрических сигналов, является удобной для обработки радио- и электронными приборами. Кроме того, большинство процессов, протекающих в живых организмах, сопровождается различными электрическими явлениями, что облегчает получение информации в виде электрических сигналов.

Кинематические схемы потенциометрических датчиков для измерения амплитуды движений в суставах нижних конечностей. А - в плюснефаланговом; б - в подтаранном; В-в тазобедренном, коленном и голеностопном.

При использовании электрических методов регистрации неэлектрических величин (каковыми являются кинематические и динамические составляющие движения) в практике биомеханических исследований применяют измерение и регистрацию кинематических составляющих движения осуществляются с помощью линейных потенциометрических датчиков 2 типов: с входной функцией в виде углового и линейного механического перемещения. Потенциометрические датчики преобразуют функцию механического перемещения в аналоговый электрический сигнал, который затем регистрируется в соответствующем масштабе.

Исследование динамических составляющих движения осуществляют с помощью тензоменрических методов. В качестве тензочувствительного элемента используют различные тензодатчики - датчики давления. Тензодатчики применяются для определения вертикальных составляющих реакции опоры при ходьбе (ихнография) или для регистрации стабилограмм. Подография - регистрация времени опоры отдельных участков стопы при ходьбе с целью изучения функции переката исследуется при помощи специальных датчиков, вмонтированных в подошву обуви.

Стабилограмма попеременного стояния на правой и левой ноге.

Стабилография - объективный метод регистрации положения и проекции общего центра масс на плоскость опоры - важный параметр механизма поддержания вертикальной позы. Обычно регистрируют площадь миграции общего центра масс (ОЦМ) в проекции горизонтальной плоскости, совмещенный с очерком стопы.

Клинико-физиологические методы

Информация о функциональной анатомии опорно-двигательного аппарата человека и биомеханических параметрах движения не может достаточно полно охарактеризовать весь комплекс процессов, происходящих в организме в условиях двигательной активности. С целью изучения механизма управления движениями, их энергообеспеченности в биомеханических исследованиях применяются некоторые физиологические методы. Из обширного арсенала методов современной физиологии избираются те средства функциональной оценки жизнеобеспечивающих систем организма, которые в сочетании со специальными биомеханическими методами дают возможность глубже изучить процесс формирования двигательного навыка и реакции организма па реализацию движения. В связи с этим наиболее широко в клинико-биомеханических исследованиях используются различные варианты кардиографии, электроэнцефалография, электромиография, косвенная калориметрия и другие методы функциональной диагностики.

Калориметрия.

Энергия, освобождаемая организмом в процессе жизнедеятельности, переходит непосредственно в работу механическую, электрическую, физико-химическую и т.д., при этом освобождается некоторое количество тепла. Все тепло, отдаваемое организмом, дает сумму энергетических превращений за определенный промежуток времени. Количество выделяемого тепла может быть определено непосредственно в специальной калориметрической камере, в которую помещают испытуемого. Впервые такая камера была по¬строена в 1880-1886 гг. на кафедре общей патологии Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова В.В. Пашутиным. Однако в настоящее время применяется более простой метод непрямой калориметрии, который состоит в исследовании легоч¬ного газообмена и последующем пересчете количества потребляемого кислорода в единицы тепловой энергии. Теоретические обоснования метода непрямой калориметрии базируются на том, что вся энергия, освобождающаяся в процессе жизнедеятельности человека, есть результат распада (окисления) жиров, белков и углеводов. Экспериментально установлено среднее количество тепла, освобождающегося при окислении 1 г каждого из указанных веществ. Установлен и тепловой эквивалент кислорода при окислении этих веществ. Энергетические траты здорового человека складываются из: 1) основного обмена, 2) прироста обмена вследствие специфически-динамического действия принятой пищи, 3) прироста обмена в результате мышечной работы. Основной обмен составляет наименьшую интенсивность обмена веществ, которая необходима для обеспечения жизнеспособности. Энергетически он выражается в величинах теплопродукции в состоянии покоя. Основной обмен определяется не ранее, чем через 12-18 ч после приема пищи, в условиях полного мышечного и психического покоя, при температуре окружающего воздуха 18-20° С. Наиболее распространенным в настоящее время методом непрямой калориметрии является метод Дугласа - Холдена. Суть его заключается в том, что испытуемый дышит атмосферным воздухом, причем выдыхаемый воздух собирается в мешок из прорезиненной ткани емкостью 100-150 л. Количество выдыхаемого воздуха за данное время измеряется газовыми часами, а качественный состав исследуется в газоанализаторе Холдена.

Электромиграфия

Для изучения деятельности мышц в процессе выполнения двигательного акта используется электромиогоафия. Еще в 1884 г. Н.Е. Введенским описан опыт телефонического прослушивания потенциалов действия мышц человека, а в 1907 г. немецкий физиолог Н. Piper впервые зарегистрировал их с помощью струпного гальванометра. Однако практическую значимость электромиографические исследования приобрели лишь с 30-х годов после создания специализированных усилителей биопотенциалов и концентрических игольчатых электродов, позволивших не только исследовать функцию двигательной единицы, по и расшифровать значение компонентов электромиограммы (ЭМГ), снятой накожными электродами. Отведение электромиограммы в настоящее время осуществляется двумя способами: накожными и игольчатыми электродами, позволяющими избирательно регистрировать активность одной двигательной единицы. Применение накожного биполярного отведения с межэлектродным расстоянием 20-25 мм позволяет регистрировать суммарную активность многих двигательных единиц. Развитие электромиографии привело к появлению специальной области клинической электрофизиологии - клинической электромиографии, находящей широкое применение в нервной и хирургической клиниках, в ортопедии и протезировании, в клинической и спортивной биомеханике. В последние годы область применения метода электромиографии существенно расширилась за счет использования биопотенциалов мышц в качестве показателя в системах адаптивного регулирования мышечного тонуса.

История

История биомеханики неразрывно связана с историей техники, физики, биологии и медицины, а также с историей физической культуры и спорта. Многие достижения этих наук определяли развитие учения о движении живых существ. Современную биомеханику нельзя представить без законы механики, открытых Архимедом, Галилеем, Ньютоном, без физиологии Павлова, Сеченова, Анохина, так как и без современных компьютерных технологий.

Истоки биомеханики

Биомеханика - одна из самых старых ветвей биологии. Её истоками были работы [Аристотель|Аристотеля]], Галена, Леонардо да Винчи.

В своих естественнонаучных трудах «Части движения и перемещение животных», Аристотель заложил основу того, что в дальнейшем, спустя 2300 лет назовут наукой биомеханикой. В своих научных трактатах он свойственной ему мышлением описывает животный мир и закономерности движения животных и человека. Он писал о частях тела, необходимых для перемещения в пространстве (локомоции), о произвольных и непроизвольных движениях, о мотивации движений животных и человека, о сопротивлении окружающей среды, о цикличности ходьбы и бега, о способности живых существ приводить себя в движение…

Величайшим ученым-медиком античного времени (после Гиппократа) был Клавдий Гален (131-201 гг. н.э.). В соответствии с мировоззрением античного времени, Гален понимал целостность организма. Он писал:

«В общей совокупности частей, все находится во взаимном согласии и … все содействует деятельности каждой из них».

Изучение нервов позволило Галену сделать вывод о том, что нервы по своей функциональной особенности делятся на три группы: те, что идут к органам чувств, выполняют функцию восприятия, идущие к мышцам ведают движением, а идущие к органам охраняют их от повреждения. Основной его труд - О назначении частей человеческого тела. Гален экспериментально показал, что конечность попеременно то сгибается внутренними, то разгибается наружными мышцами. Так, описывая пятую мышцу, самую большую, по его мнению, из всех мышц тела, приводящую бедро и состоящую из большой, средней и малой мышц, прикрепляющихся к внутренним и задним частям бедренной кости и нисходящей вниз почти до коленного сочленения, он, анализируя ее функцию, писал:

«Задние волокна этой мышцы, идущие от седалищной кости, укрепляют ногу, напрягая сустав. Не менее сильно это действие производится нижней порцией волокон, идущих от лобковой кости, к чему присоединяется еще легкое вращательное движение внутрь. Выше их лежащие волокна приводят бедро внутрь точно так же, как самые верхние приводят и в то же время несколько поднимают бедро»

На развитие механики в средние века оказали существенное влияние исследования Леонардо да Винчи (1452-1519 г.) по теории механизмов, трению и другим вопросам. Изучая функции органов, он рассматривал организм как образец «природной механики». Впервые описал ряд костей и нервов, особое внимание уделял проблемам сравнительной анатомии, стремясь ввести экспериментальный метод и в биологию. Этот великий художник, математик, механик и инженер впервые высказал важнейшую для будущей биомеханики мысль:

«Наука механика потому столь благородна и полезна более всех прочих наук, что все живые тела, имеющие способность к движению, действуют по ее законам».

Его успех как великого художника также немало зависит от биомеханической направленности его картин, - в них детально прорисована техника движения. Его наблюдения, очевидные в наши дни, в средние века были революционными. Например,

«Мускулы начинаются и оканчиваются всегда в соприкасающихся костях, и никогда они не начинаются и не оканчиваются на одной и той же кости, так как они ничего не могли бы двигать, разве только самих себя»

Леонардо, безусловно, является основоположником функциональной анатомии, составной части биомеханики. Он не только описал топографию мышц, но и значение каждой мышцы для движения тела.