1 . Предмет, задачи, содержание биомеханики
Движение лежит в основе жизнедеятельности человека. Разнообразные химические и физические процессы в клетках тела, работа сердца и течение крови, дыхание, пищеварение и выделение; перемещение тела в пространстве и частей тела относительно друг друга; сложнейшая нервная деятельность, являющаяся физиологическим механизмом психики, восприятие и анализ внешнего и внутреннего мира - все это различные формы движения материи.
Основным условием жизни вообще является взаимодействие живого организма с окружающей средой. В этом взаимодействии существенную роль играет двигательная деятельность. Только передвигаясь, животное может находить себе пишу, защищать свою жизнь, производить потомство и обеспечивать его существование. Только при помощи разнообразных и сложных движений человек совершает трудовую деятельность, общается с другими людьми, говорит, пишет и пр. Определенным образом организованная двигательная деятельность является основой физического воспитания и основным содержанием спорта.
Наиболее элементарной формой движения материи является механическое движение, т.е. перемещение тела в пространстве. Закономерности механического движения изучаются механикой. Предметом механики как науки является изучение изменений пространственного расположения тел и тех причин, или сил, которые вызывают эти изменения.
Вскрывая и описывая условия, необходимые для осуществления того или иного механического движения, механика является важной теоретической основой техники, в особенности техники построения разнообразных механизмов. Механическая точка зрения может быть использована и при изучении механических движений человека.
Двигательная деятельность человека практически осуществляется при участии всех органов тела. Однако непосредственным исполнителем функции движения является двигательный аппарат, состоящий из костей, скелета, связок и мышц с их иннервацией и кровеносными сосудами. С механической точки зрения, двигательный аппарат совмещает в себе рабочую машину и машину-двигатель.
Устройство двигательного аппарата является предметом изучения анатомии. Изучение двигательного аппарата как машины-двигателя производится, главным образом, биохимией и физиологией. Изучение его как рабочей машины является задачей особой научной дисциплины - биомеханики.
Биомеханика - наука о законах механического движения в живых системах. Она изучает движения с точки зрения законов механики, свойственных всем без исключения механическим движениям материальных тел. Специальных законов механики, особых для живых систем не существует.
Однако сложность движения и функций, живого организма требует тщательного учета анатомо-физиологических особенностей. Иначе нельзя правильно использовать законы механики в изучении сложных движений организмов. Нередко то, что выгодно с точки зрения законов механики, нецелесообразно, если учесть особенности строения и функций живого организма.
Так, с точки зрения законов механики, для большей устойчивости тела выгодно придать его центру тяжести более низкое положение. Но горнолыжник не станет применять на неровном склоне низкую стойку, т.к. она затрудняет амортизирующую работу уже растянутых мышц. Таким образом, законы механики хотя и занимают главное место в биомеханике, но не могут использоваться без знания строения и функций организма.
Как самостоятельная научная дисциплина биомеханика физических упражнений должна обогащать теорию физического воспитания, исследуя одну из сторон физических упражнений - технику. Вместе с тем, биомеханика физических упражнений непосредственно служит и практике физического воспитания. Сюда относится, например, следующее:
1) оценка физических упражнений с точки зрения их эффективности в решении определенных задач физического воспитания (ФВ) ;
2) изучение техники ФУ как предмета обучения с выявлением главного и ведущего в движениях, обеспечивающего высокий результат;
3) оценка качества выполнения ФУ, выявление ошибок, их причин, последствий и путей для устранения;
4) совершенствование спортивной техники с обобщением передового опыта и ее теоретическое обоснование;
5) изучение особенностей лучших образцов спортивной техники как общих для всех, так и тех, которые зависят от индивидуальных особенностей физического развития;
6) изучение функциональных показателей физического развития с целью уточнения путей повышения функциональных возможностей организма спортсмена.
Как учебный предмет биомеханика содержит главные положения учения о движениях, обобщенный и систематизированный опыт изучения общих объективных закономерностей. Овладение курсом биомеханики должно вооружить будущего педагога, тренера основами знаний о движениях человека, помочь им повысить теоретический уровень практической деятельности.
Предмет любой науки, в том числе и биомеханики, определяется специфическим объектом познания - кругом явлений и процессов, закономерностей, которые изучает та или иная наука. В этом объекте каждая из них имеет свою область изучения.
Иными словами, объект познания - это то, что конкретно изучает наука; область изучения в каких пределах, границах.
Объект познания биомеханики - двигательные действия человека как системы взаимно связанных активных движений и положений его тела .
Биомеханика возникла и развивается как наука о движениях животных организмов, в частности человека.
У животных организмов движутся не только части тела -органы опоры и движения. Смещаются внутренние органы, жидкости в сосудах, воздух в дыхательной системе и т.п. Эти механические процессы в биомеханике еще почти не исследованы. Поэтому объектом познания в ней принято считать только движения тела.
В норме человек производит не просто движения, а всегда действия (Н.А.Бернштейн); они ведут к известной цели, имеют определенный смысл. Поэтому человек выполняет их активно, целенаправленно, управляя ими, причем все движения тесно взаимосвязаны - объединены в системы.
Следует отметить, что двигательные действия человека существенно отличаются от движений животных. В первую очередь речь идет об осознанной целенаправленности движений человека, о понимании их смысла, возможности контролировать их и планомерно совершенствовать. Поэтому сходство между движениями животных и человека завершается на чисто биологическом уровне.
В действиях человека движения выполняются обычно не все время и не всегда во всех суставах. Части его тела иногда сохраняют свое относительное положение почти неизменным. В активном сохранении положения, как и в активных движениях, участвуют мышцы. Следовательно, человек совершает двигательные действия посредством активных движений и сохраняя при необходимости взаимное расположение тел или иных звеньев тела.
Системы активных движений, а также сохранение положений тела при двигательных действиях изучаются в настоящем курсе биомеханики.
Область изучения биомеханики - механические и биологические причины возникновения движений, особенности их выполнения в различных условиях.
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. Чтобы результат был лучше и достичь его было легче, человек сознательно учитывает и использует условия, в которых надо действовать. Кроме того, учится более совершенно выполнять движения. Биомеханика человека учитывает эти его способности, чем существенно отличается от биомеханики животных. Таким образом, биомеханика человека изучает также, какой способ и какие условия выполнения действий лучше и как овладеть ими.
В биомеханике область изучения определяется ее задачами. Общая задача охватывает всю область знания в целом; частные задачи важны при изучении конкретных вопросов движений.
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. При таком подходе сопоставляют то, что есть в движениях с тем, что требуется.
Биомеханика исследует, каким образом полученная механическая энергия движения и напряжения может приобрести рабочее применение (А.А.Ухтомский). 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. Это общая задача. По ходу ее решения возникают многие частные задачи, не только предусматривающие непосредственную оценку эффективности, но и вытекающие из общей задачи и ей подчиненные.
Частные задачи биомеханики состоят в изучении и объяснении: а) самих движений человека в той или иной области его двигательной деятельности; б) движений физических объектов, перемещаемых человеком, в) результатов решения двигательной задачи; г) условий , в которых они осуществляются; д) развития движений человека (с учетом названных сторон) в результате обучения и тренировки.
1. На основе кинематики описывают движения (пространственную форму и характер движений), изучая динамику движений, влияние сил на их изменение, дают объяснение, находят причины особенностей движения.
2. Таким же образом описывают и объясняют движения снарядов, зависящие от движений человека.
3. Необходимо сопоставлять разные варианты исполнения, сложившиеся в практике, разную степень совершенства, зависящую от квалификации исполнения и др.
4. Движения часто исполняются в переменных условиях, характер изменения последних также влияет на движения. Учитывая условия внешние (все факторы внешнего окружения) и внутренние (уровень подготовленности, возрастные особенности и др.) , с одной стороны выявляют, какие условия благоприятствуют эффективности, иначе говоря, какие нужно создавать условия. С другой стороны, определяют, как лучше приспособиться к заданным условиям, как их использовать.
5. На основе описания и объяснения движений необходимо указать путь их совершенствования: не только изучать действительность, но и преобразовывать ее.
Содержание науки составляет совокупность накопленных знаний, складывающихся в определенную систему - теорию науки, а также пути получения этих знаний - метод науки. И теория и метод выражаются в понятиях и законах науки, характерных для нее, раскрывающих ее содержание.
В основе современного понимания двигательных действий заложен системно-структурный подход, который позволяет рассматривать тело человека как движущуюся систему, а сами процессы движения - как развивающиеся системы движений.
Теория биомеханики в настоящее время охватывает три большие проблемы.
Особенности строения и свойства животных организмов оказывают существенное влияние на закономерности их движений. Исходя из этого, тело человека рассматривается как биомеханическая система. С давних пор органы опоры и движения сравнивают с рычагами. Ранее указывали лишь на то, что, изучая движения таких рычагов, надо учитывать анатомо-физиологические особенности тела человека. Следующим этапом в понимании природы движений было признание специфики биомеханических систем, отличных в принципе от твердых тел или систем твердых тел. Эта специфика заставляет изучать такие свойства биомеханических систем, которых нет в искусственных конструкциях, машинах, создаваемых человеком. Поэтому в теории биомеханики возникла проблема изучения строения и свойства биомеханических систем, а также их развития.
Для решения общей задачи биомеханики необходимо изучение специфических особенностей самих процессов
достижения живого организма и условий, обеспечивающих эффективность приложения сил. Для движений животных характерно сочетание множества движений в суставах в единое целое -систему движений. С этим связано возникновение в теории биомеханики проблемы изучения эффективности двигательных действий, как систем движений, их особенностей и развития.
Чрезвычайно важно изучение изменения движений в процессе овладения двигательными действиями как системами движений (двигательными актами, приемами выполнения действий) . С этим связана проблема изучения закономерностей формирования и совершенствования движений.
Метод биомеханики - системный анализ и 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 др., позволяющие различать движения, сравнивать их между собой. Рассматривая характеристики, мысленно расчленяют систему движений на составные части - устанавливают ее состав. В этом проявляется системный анализ.
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 мысленно представлять это объединение, устанавливать способ взаимосвязи частей в системе - ее структуру. В этом проявляется системный синтез.
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.
2 . Развитие биомеханики как науки
К предпосылкам возникновения биомеханики как самостоятельной науки относится накопление знаний в областифизических и биологических наук, а также развитие техники, что позволяет разрабатывать различные методики изучения движений и по-новому понимать их построение.
В Древней Греции во времена Аристотеля (384—322 г. до н.э.) физикой называли вообще все первоначальные знания о природе. Аристотель первый ввел термин "механика", описал рычаг и другие простейшие машины, пытался путем рассуждении найти причины движений. Некоторые его представления (например, о зависимости скорости падения в пустоте только от веса тел, о необходимости постоянной силы для поддержания постоянной скорости) , не подтвержденные опытом, были впоследствии опровергнуты. Намного долговечнее оказались работы Архимеда (287—212 г. до н.э.) , который заложил основы статики и гидродинамики как точных наук. Они сохранили свое значение до нашего времени.
Развитию механики после долгого застоя наук в средние века способствовали исследования Леонардо да Винчи (1452-1519 г.) по теории механизмов, трению и другим вопросам. Примечательно, что 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, как оказывается, все живые тела, имеющие способность к движению, действуют по ее законам".
Общеизвестно, что важнейший раздел механики - динамика - был создан трудами гениальных ученых Галилео Галилея (1564-1642 г.) и Исаака Ньютона (1643-1727 г.) . Основные законы классической механики описывают движение материальной точки и абстрактного абсолютно твердого тела.
Из классической механики выделились и развиваются как самостоятельные науки гидро- и аэромеханика, изучающие механику деформируемого тела. Для решения задач биомеханики, связанных с деформациями, большой интерес представляют сопротивление материалов и, особенно, реология (теория упругости, пластичности и ползучести) .
Из кинематики, сложившейся как отдельный раздел механики лишь в начале XIX в., выделилась также важная для биомеханики область науки - теория механизмов и машин.
Познания людей о строении тела начали накапливаться с древнейших времен. К концу XVIII в. анатомия уже была сложившейся областью научного знания. От нее стали отделяться другие отрасли биологических наук, в частности физиология. Началом создания физиологии по праву считают работы в области кровообращения Вильяма Гарвея (1578—1657 г.), формирование понятия о рефлексе Рене Декарта (1596—1650 г.) и исследования Джовани Борелли (1608—1679 г.) по механике движений живых организмов. Исследования Д. Борелли положили начало развитию биомеханики как отрасли науки.
При изучении строения и формы тела, а также их развития, естественно, возникали вопросы об отправлении, функции органов и тканей. По мере углубления анатомических знаний все более развивался функциональный подход к изучению морфологии человека. Он проявился особенно отчетливо в разработке функциональной анатомии органов движения, оказавшей большое влияние на становление биомеханики.
Расцвет физиологии и медицины в XIX в. был тесно связан с развитием идеи нервизма - направления научной мысли, признающего ведущую роль нервной системы в управлении жизнедеятельностью высших организмов. Принцип нервизма был одним из главных, когда закладывались основы теории биомеханики.
Начало развитию биомеханики физических упражнений положил П.Ф.Лесгафт, разрабатывавший курс теории телесных движений. Он начал читать его в 1877 г. на курсах по физическому воспитанию. Этот курс продолжали читать и совершенствовать его ученики. В институте физического образования им. П.Ф. Лесгафта, созданном после Октябрьской революции, этот курс входил в предмет "Физическое образование", а в 1927 г. был выделен в самостоятельный - под названием "Теория движений", в 1931 г. переименован в курс "Биомеханика физических упражнений".
С 30-х г. в институтах физической культуры в Москве (Н.А.Бернштейн), Ленинграде (Е.А.Котикова, Ё.Г.Котельникова), Тбилиси (Л.В.Чхаидзе), Харькове (Д.Д.Донской) и др. развернулась научная и учебная работа по биомеханике спорта.
С 1958 г. биомеханика включена в учебный план всех институтов физической культуры, после чего начали создаваться кафедры биомеханики. На кафедрах спортивных дисциплин институтов физической культуры широко ведутся биомеханические исследования спортивной техники. Биомеханические методы успешно применяются научными работниками, тренерами для исследования качества техники и контроля над ее совершенствованием.
В ряде зарубежных стран преподавание этой учебной дисциплины для специалистов физического воспитания ведется под названием "Кинезиология", "Анализ движений" и др. В составе научного комитета по физическому воспитанию и спорту при ЮНЕСКО создана рабочая группа по биомеханике. Проводятся международные совещания и симпозиумы по биомеханике.
Биомеханика физических упражнений способствует теоретическому обоснованию ряда вопросов физического воспитания . Биомеханика спорта составляет одну из основ теории спортивной техники. Она помогает обоснованию наиболее рациональной техники, путей овладения ею и технического совершенствования спортсменов.
С применением каждой новой методики, с накоплением фактических данных, с развитием смежных областей знания (механики, анатомии, физиологии, кибернетики) менялись критерии оценки получаемых результатов, появлялись умозаключения, выводы, постепенно складывающиеся в новое понимание явлений и процессов. Теория биомеханики как обобщение экспериментальных данных в свете определенных идей развивалась по нескольким направлениям.
Механическое направление . Механический подход к изучению движений человека позволяет определить количественную меру двигательных процессов, объяснить физическую сущность механических явлений, раскрывает огромную сложность строения тела человека и его движений с точки зрения физики.
Хронологически первым было механическое направление в развитии биомеханики. Первую книгу по биомеханике "О движениях животных" (1679 г.) написал ученик Галилея, итальянский врач и математик Джовани Борелли. Исследование действия и противодействия, определение центра тяжести тела человека, классификация локомоторных движений по источнику сил проводились с позиций механики. Физиологи братья Вебер (1836 г.) изучали ходьбу человека тоже с позиций механики, сравнивая движения шагания с качаниями маятников (их гипотезы в последующем во многом не подтвердились).
Изучению механических характеристик движений были посвящены исследования В.Брауне, О.Фишера, Г.Хохмута, А.Новака и др.
Применение законов механики в биомеханике совершенно необходимо, но оно недостаточно. Как биомеханическая система тело человека существенно отличается от абсолютно твердого тела или материальной точки, которые рассматриваются в классической механике. Внутренние силы, которые при решении задач в механике твердого тела стараются исключить, имеют определяющее значение для движений человека. Безразличие к источнику силы в механике сменяется крайним интересом к этому вопросу в биомеханике.
Наряду с механическими причинами особой сложности движений животных существуют немеханические причины, которые играют еще большую роль. Именно эти причины представители данного направления обычно не рассматривают . Чисто механический подход создает почву для неоправданных упрощений, что часто приводит к неправильным выводам. Кроме того, появляется опасность недооценки качественной специфики физики живого. Возникают механистические тенденции объяснения качественно более высоких явлений простейшими механическими факторами.
Функционально-анатомическое направление. Функционально-анатомический подход характеризуется преимущественно описательным анализом движений в суставах, определением участия мышц при сохранении положений тела и в его движениях.
Изучая форму и строение органов опоры, а также движения человека в тесной связи с их функцией, анатомы исследовали преимущественно двигательный аппарат. Аналитическое изучение тела человека преобладало в работах О.Фишера, Р. Фикка, Г. Брауса, С. Моллье и других зарубежных анатомов.
Вместе с тем расширялось изучение функций двигательного аппарата как целого. Один из основателей функциональной анатомии П.Ф.Лесгафт рассматривал все системы и органы прежде всего во взаимодействии, как части единого целостного живого организма. Высоко оценивая возможности формообразующего влияния функций, П.Ф.Лесгафт одним из первых начал разрабатывать научные основы физического образования детей и молодежи. Функционально-анатомическое направление развивалось учениками П.Ф.Лесгафта и продолжателями его учения А.А.Красуской, Е.А.Котиковой, Е.Г.Котельниковой и др. Большой вклад в учение о движениях внес М.Ф.Иваницкий, разрабатывавший раздел курса анатомии - двигательный аппарат как целое (динамическая анатомия) . Во многих странах наука о движениях - кинезиология - представляет собою в настоящее время своеобразное сочетание механического и функционально-анатомического направлений. Для анатомического направления в целом характерен описательный подход - преимущественно качественные характеристики при незначительном применении количественной меры. Однако сейчас широко применяются регистрация электрической активности мышц (электромиография) , дающая ценный вклад в определение времени и степени участия мышц в движениях, согласования активности отдельных и групп мышц.
Новое направление в функциональной анатомии - спортивная морфология (А.А.Гладышева) - способствует познанию специфических особенностей опорно-двигательного аппарата человека в связи с занятиями спортом. Конкретизация знаний о морфологических основах биомеханических систем обеспечивает более глубокое и правильное определение физической и технической подготовки в физическом воспитании, в частности в спорте.
Физиологическое направление. Физиологическое направление в биомеханике утвердило представление о рефлекторной природе движений, кольцевом характере управления движениями и об обусловленной этим чрезвычайной сложности движений человека.
На развитие биомеханики оказали существенное влияние физиология нервно-мышечного аппарата, учение о высшей нервной деятельности и нейрофизиология. Признание рефлекторной природы двигательных действий и механизмов нервной регуляции при взаимодействии организма и среды в работах И.М.Сеченова, И.П.Павлова, Н.Е.Введенского, А.А.Ухтомского, П.К.Анохина, Н.А.Бернштейна и других ученых составляет физиологическую основу изучения движений человека. Результаты многочисленных, проведенных за последние десятилетия во многих странах мира исследований механизмов центральной нервной системы и нервно-мышечного аппарата позволяют наиболее полно представить высокую сложность управления движениями.
Исследования Н.А.Бернштейна, ставшие уже классическими, дали результаты, которые привели его в свое время к новой системе взглядов на движения и управление ими. Развивая идеи И.М.Сеченова о рефлекторной природе управления движениями путем использования чувствительных сигналов, Н.А.Бернштейн выдвинул положение о кольцевом характере процессов управления. Его гипотеза об уровневом построении движений сыграла важную роль в дальнейшей разработке физиологического направления в биомеханике. Глубокое изучение действительных явлений в самом опорно-двигательном аппарате вызвало особое внимание к управлению движениями. Выявленные особенности управления движениями показали, насколько были неверны прежние упрощенные объяснения механизма движений.
Системно-структурный подход. Системно-структурный подход в биомеханике характеризуется изучением состава и структуры систем как в двигательном аппарате, так и в его функциях. Этот подход в известной мере объединяет механическое, функционально-анатомическое и физиологическое направления в развитии теории биомеханики.
По современным представлениям, опорно-двигательный аппарат рассматривается как сложная биомеханическая система; движения человека также изучаются как сложная целостная система.
Понятие о системе, в которой множество элементов (ее состав) закономерно объединено взаимными связями, взаимозависимостью (ее структура), характерно для современного научного представления о мире. Системно-структурный подход требует изучения системы как единого целого, потому что ее свойства не сводятся к свойствам отдельных элементов. Важно изучать не только состав, но и структуру системы, рассматривать во взаимосвязи строение и функцию.
Идеи о системности внес в изучение двигательной деятельности также Н.А.Бернштейн. Кибернетический, по сути дела, подход к движениям был им осуществлен более чем за 10 лет до оформления кибернетики как самостоятельной науки.
Современный системно-структурный подход не только не отрицает значения в биомеханике всех направлений, а как бы объединяет их; при этом каждое направление сохраняет в биомеханике свое значение.
Контрольные вопросы
1. Что изучает биомеханика?
2. Каковы задачи биомеханики?
3. Раскройте понятия "теория" и "метод" биомеханики спорта.
4. Каковы основные направления в развитии биомеханики?
5. Расскажите о создании биомеханики физических упражнений и о современном развитии биомеханики спорта.
6. Каково практическое значение биомеханики спорта?