Кинематическое описание положения тела человека

     План 
 

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 
 

     Биомеха́ника (греч. bios жизнь + греч. mechanike механика (наука о машинах)

     1. Движение живого.

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

     Исторически для области науки, близкой к  описанной, использовалось название ятромеханика (от греч. ιατρο — врач).

     Биомеханические исследования охватывают различные  уровни организации живой материи: биологические макромолекулы, клетки, ткани (биореология), органы, системы  органов, а также целые организмы  и их сообщества. Чаще всего, объектом исследования этой науки, является движение животных и человека, а также механические явления в тканях, органах и системах. Под механическим движением понимается движение всей биосистемы в целом, а также движение отдельных частей системы относительно друг друга — деформация системы. Все деформации в биосистемах, так или иначе, связаны с биологическими процессами, которые играют решающую роль в движениях животных и человека. Это сокращение мышцы, деформация сухожилия, кости, связок, фасций, движения в суставах.

     Биомеханика человека — наука комплексная, она  включает в себя самые разнообразные  знания других наук, таких как: механика и математика, функциональная анатомия и физиология, возрастная анатомия и физиология, педагогика и теория физической культуры.

     В последние годы число и уровень  биомеханических исследований выросло  чрезвычайно. Объясняется это, на наш взгляд, двумя обстоятельствами. Во-первых, совершенствованием исследовательских возможностей благодаря появлению ЭВМ новых поколений (большинство исследований по биомеханике основаны на применении ЭВМ). Во-вторых, возросшей заинтересованностью в биомеханических данных представителей многих смежных специальностей – специалистов по роботостроению и манипулятором, космической биологии и медицине, ортопедов и травматологов, нейрофизиологов и, конечно, работников спорта – тренеров, преподавателей, научных работников, врачей. 
 
 
 
 
 
 

1. Общие понятия

 
 

     Движения  человека в значительной мере зависят  от того, каково строение его тела, и  каковы его свойства. Чрезвычайная сложность строения и многообразие свойств тела человека, с одной стороны, делают очень сложными сами движения и управление ими. Но, с другой стороны, они обусловливают необычайное богатство, разнообразие движений, до сих пор недоступное в целом ни одной самой совершенной машине.

     Отвлекаясь  от деталей анатомического строения - физиологических механизмов управления опорно-двигательным аппаратом, рассматривается упрощённая модель тела человека - биомеханическая система. Она обладает основными свойствами, существенными для выполнения опорно-двигательной функции.

     Сточки  зрения механики, опорно-двигательный аппарат человека представляет собой механизм, состоящий из сложной системы рычагов, приводимых в действие мышцами. Однако при изучении движений человека и причин, их вызывающих, было бы неправильно ограничиваться только представлениями механики. Необходимо иметь в виду биологическую природу "механизмов" человеческого тела. Анализ деятельности опорно-двигательного аппарата с биологической точки зрения позволяет вскрыть своеобразие устройства и принципа действий "живых механизмов". 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 Кинематическое описание положения тела человека 
 

     Описывать положение тела человека можно разными  способами. Изложим один из наиболее удобных, разработанный В.Т. Назаровым (1974) и опирающийся на работы Г.В. Коренена (1964) по механике управляемого тела. Положение тела человека в пространстве описывается в этом случае это местом, ориентацией и позой.

     Место тела характеризует, в какой части  пространства находится в данный момент человек. Чтобы определить место тела, достаточно указать три координаты какой-либо точки тела в неподвижной системе координат. В качестве такой точки обычно удобно выбирать общий центр масс тела, связывая с ним начало другой, подвижной системы координат, оси которой ориентированы так же, как и оси неподвижной системы.

     Ориентация  тела характеризует его поворот  относительно неподвижной системы  координат. Поза тела характеризует  взаимное расположение звеньев тела относительно друг друга.

     Вспомним, как определяются основные плоскости и оси человеческого тела (рис. 1).

     Основные  плоскости тела ориентируются в  системе трех взамино перпендикулярных осей: вертикальной и двух горизонтальных – поперечной и глубинной.

     Вертикальная  плоскость, проходящая через переднюю срединную и позвоночную линии, а также всякая плоскость, параллельная ей, называются сагиттальными. Они разделяют тело на правую и левую части.

     Вертикальная  плоскость, проходящая перпендикулярно  к сагиттальной, а также всякая плоскость, параллельная ей, называются фронтальными. Они разделяют тело на переднюю и заднюю части.

     Горизонтальные  плоскости проходят перпендикулярно  по отношению к этим двум плоскостям и называются трансверсальными (поперечными). Они разделяют тело на верхнюю и нижнюю части.

 
 

К сожалению, основные анатомические плоскости  и оси малопригодны для описания многих движений человека. Проблема здесь  состоит в том, что с телом  надо каким-то образом связать системы  координат так, чтобы изменение  ориентации этой системы отражало изменение ориентации тела. 
 
 
 
 
 
 

3. Кинематика  движений в суставах

 
 

     В анатомии для описания поз и движений в суставах используют термины: сгибание – разгибание, отведение – приведение, пронация – супинация и другие производные от названных. Эта терминология описательная. Она не основана на изучении особенностей движения в отдельных суставах поверхностей при сгибании в тазобедренном и коленном суставах совершенно различны и что особенно важно при биомеханическом анализе движений – не задает систему независимых углов Эйлера, определяющих положение в суставе. Поэтому при последовательном выполнении нескольких движение финальное положение конечности зависит от порядка их выполнения и может оказаться измененным, хотя соответствующее движение не выполнялось.

     В основе системы человека лежит утверждение  о том, что в суставах тела человека могут выполняться движения только двух типов – кручение (spining)и вращение (swinging).

     Моделирование суставов идеальному шарнирами, предполагающее, что любое движение в суставе – это сферическое движение относительно неподвижного центра, упрощает реальную ситуацию. В действительности положение мгновенных осей вращения может меняться. Важность этого обстоятельства и, следовательно, возможность пренебрегать им зависит от изучаемых вопросов. В частности, смещение осей вращения не изменят существенно геометрию масс, но оказывает сильное влияние на плечи сил отдельных мышц.

     Таким образом, биомеханическая система - это упрощенная копия, модель тела человека, на которой можно изучать закономерности движений. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     

4. Биомеханика человека — составная  часть прикладных наук, изучающих движение человека

 
 

     Движения  частей тела человека представляют собою перемещения в пространстве и времени, которые выполняются во многих суставах одновременно и последовательно. Движения в суставах по своей форме и характеру очень разнообразны, они зависят от действия множества приложенных сил. Все движения закономерно объединены в целостные организованные действия, которыми человек управляет при помощи мышц. Учитывая сложность движений человека, в биомеханике исследуют и механическую, и биологическую их стороны, причем обязательно в тесной взаимосвязи.

     Поскольку человек выполняет всегда осмысленные  действия, его интересует, как можно  достичь цели, насколько хорошо и  легко это получается в данных условиях. Для того чтобы результат  движения был лучше, и достичь  его было бы легче, человек сознательно учитывает и использует условия, в которых осуществляется движение. Кроме того, он учится более совершенно выполнять движения. Биомеханика человека учитывает эти его способности, чем существенно отличается от биомеханики животных.

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

     Метод биомеханики — системный анализ и системный синтез движений на основе количественных характеристик, в частности кибернетическое моделирование движений. Биомеханика, как наука экспериментальная, эмпирическая, опирается на опытное изучение движений. При помощи приборов регистрируются количественные характеристики, например траектории скорости, ускорения и другие, позволяющие различать движения, сравнивать их между собой. Рассматривая характеристики, мысленно расчленяют систему движений на составные части — устанавливают ее состав. В этом — суть системного анализа.

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

     При изучении движений в процессе развития системного анализа и синтеза  в последние годы все шире применяется  метод кибернетического моделирования  — построение управляемых моделей (электронных, математических, физических и др.) движений и моделей тела человека.