Предмет биомеханики, ее метод и основные задачи

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРЕДМЕТ БИОМЕХАНИКИ, ЕЕ МЕТОД И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ

Биомеханика - наука о законах механического движения в живых системах (Bios - жизнь, составная часть многих слов, соответствующих по значению слову - жизнь; гр. mechane - орудие, машина). Механика, изучающая перемещение в пространстве (механическое движение) и равновесие материальных тел под действием сил. Части тел живых организмов часто рассматривают в биомеханике как механизмы или устройства для передачи и преобразования энергии, представляющие собой систему тел (звеньев), в которых движение одного звена вызывает вполне определенные движения других частей тела или звеньев всей системы. В самом широком смысле к живым системам (биосистемам) относят:

1) целостные организмы (например, животные, человек);

2) их органы и ткани, а также жидкости и газы в них (внутриорганизменные системы);

3) объединения организмов (например, в животном мире - пчелиный рой, в спорте - совместно действующая пара фигуристов, танцоров и др.).

В свою очередь биомеханика физических упражнений как учебная и научная дисциплина изучает движения человека при занятиях физической культурой и спортом. Она рассматривает двигательные действия человека на основе системного подхода, как комплексы взаимно связанных активных движений. Это составляет объект изучения этой дисциплины. В биомеханике исследуются механические и биологические причины движений и зависящие от них особенности двигательных действий в различных условиях. Это представляет собой область изучения.

Для лучшего понимания сути и роли механического движения человека необходимо рассмотреть основные понятия о движении вообще и о движениях разных организмов и человека в том числе.

Понятие о формах движения

Движение определяется как способ существования материи, неотъемлемое ее свойство, внутренне присущий материи атрибут. Следовательно, движение материи так же многообразно, как многообразен мир.

Обычно механическая форма движения отождествляется с пространственным перемещением. Однако известны объекты, изменение пространственного положения которых связано с законами, отличными от законов механики (например, электромагнитное поле, некоторые микрообъекты), механическое движение выступает не как просто пространственное перемещение, а как перемещение, подчиненное определенному типу закономерностей (законы классической механики Ньютона и обобщающие их законы релятивистской механики) и относящееся к определенным объектам - макроскопическим телам, у которых существуют одновременно точно заданные координаты и импульсы, фиксированная пространственная траектория. Этим снимается тезис, согласно которому всякая форма движения материи включает в себя механическое движение, как исходное во всем многообразии форм движения.

Таким образом, физические формы движения материи - это все виды (типы) закономерных изменений состояния материальных объектов, непосредственно выражающихся в изменении их физических свойств и характеристик (пространственного положения, скорости, массы, энергии, электрических зарядов, температуры, объема и т.п.). Все физические явления, относящиеся к одному и тому же классу, вместе с присущими им законами могут быть в принципе выведены из очень немногих явлений и законов, являющихся фундаментальными для всего этого класса в целом. Подобные группы явлений и законов, лежащие в основании целого обширного класса материальных процессов, следует рассматривать как основные или фундаментальные физические формы движения материи. Все остальные многочисленные виды физического движения данного класса по отношению к этим последним оказываются производными (В.Б. Штофф, 1962).

Двигательные действия человека, которые изучаются в биомеханике спорта, включают в себя механическое движение. Именно оно представляет собой непосредственную цель двигательного действия человека (переместиться самому, переместить снаряд, противника, партнера и т. п.). Но механическое движение осуществляется при определяющем участии в двигательном действии более высоких форм движения. Поэтому биологическая механика (биомеханика) шире и намного сложнее, чем механика неживых тел; она качественно отличается от механики последних (Д.Д. Донской, 1975).

Механическое движение в живых системах

Механическое движение в живых системах проявляется как:

1) передвижение всей биосистемы относительно её окружения (среды, опоры, физических тел);

2) деформация самой биосистемы - передвижение одних её частей относительно других.

Основные законы механики, сформулированные Галилеем и Ньютоном, описывают движение абстрактных абсолютно твердых тел, которые не деформируются. Такие абсолютно твердые тела - это своего рода «идеализация» объекта движения, таких тел в природе не встречается. Однако, в так называемых твёрдых телах деформации бывают столь малы, что ими нередко можно пренебречь. С другой стороны, в живых системах существенно изменяется относительное расположение их частей. Эти изменения представляют движения животных или человека. Сами части живых систем (например, грудная клетка, нижние и верхние конечности) также подчас существенно деформируются. Следовательно, при изучении движений живых организмов необходимо иметь в виду, что работа сил тратится и на передвижение тела в целом, и на деформации его отдельных биозвеньев. При этом всегда имеются потери энергии (ее диссипация). Чисто механического движения вообще в природе не существует. Оно всегда сопровождается превращениями механической энергии в другие виды (например, в электрическую или чаще всего - в тепловую), при этом наблюдается рассеивание части энергии (диссипативные потери, от лат. dissipation - рассеивание).

Механическое движение человека, совершается как результат взаимодействия внешних сил (тяжести, трения, инерции, упругости и других) и внутренних сил тяги мышц человека или животного (рис. 1). Эти последние силы управляются центральной нервной системой и, следовательно, обусловлены физиологическими процессами. Поэтому для достаточно полного понимания природы живого движения необходимо не только изучение собственно механики движений; но и рассмотрение их биологической стороны. Именно она определяет причины организации механических сил.

Рис. 1 Движение тела как результат взаимодействия внешних и внутренних сил

Необходимо иметь в виду, что не существует особых законов механики для мира живых существ. Однако насколько живые организмы отличаются от абстрактных «абсолютно» твердых тел, настолько же механическое движение живого сложнее движения таких тел. Следовательно, если применять общие законы механики к движению живых существ, то необходимо учитывать не только их механические, но и биологические особенности (например, композиционную сложность строения двигательного аппарата, высокую степень вариабельность и адаптированность движений человека и животных, влияние разного функционального состояния нервно-мышечной системы на двигательную деятельность и многое другое). В этой связи важно подчеркнуть ряд особенностей механического движения человека:

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

2) Двигательная деятельность человека - одно из сложнейших явлений в мире.

Она сложна не только потому, что очень непросты функции органов движения, а еще и потому, что в ней участвует сознание как продукт наиболее высокоорганизованной материи - мозга. Поэтому двигательная деятельность человека существенно отличается от деятельности животных. В первую очередь речь идет об осознанной целенаправленной активности человека, о понимании смысла ее, о возможности контролировать и планомерно совершенствовать свои движения. Сходство между движениями животных и человека имеется только на чисто биологическом уровне. Необходимо иметь в виду, что при помощи двигательной деятельности человек в процессе физического воспитания активно преобразует свою собственную природу, физически совершенствуется. Он преобразует мир, используя возможности научно-технического прогресса, в конечном счете, также посредством двигательной деятельности (действия, речь, письмо и т. п.). Двигательная деятельность человека складывается из его действий (Д.Д. Донской, В.М. Зациорский, 1979). В свою очередь, двигательные действия осуществляются при помощи произвольных активных движений. Эти движения осуществляются работой мышц. Из этого следует, что человек произвольно, начинает движения, изменяет их, если необходимо и прекращает, при достижении, поставленной цели. В нормальных условиях бодрствования человек производит не просто движения, а всегда действия. Этот вид двигательной активности человека всегда имеет в своей основе цель, которая и мотивирует само выполняемое действие. Движения отдельных частей тела объединены в управляемые подсистемы движений, целостные двигательные акты (например, прыжок в высоту тем или иным способом, гимнастическая комбинация на снаряде, техника движения конькобежца, приёмы игры вратаря в хоккее или гандболе). Формирование системы движений предусматривает создание активных напряжений определенных мышц, направленных на сохранение позы (или посадки), как Расположение отдельных частей тела (в суставах), и часто - всего тела, относительно какой-то системы отсчета.

Хотя причины движений (действие сил или их моментов) в биомеханике и рассматриваются как позиции механики, так и биологии. Следовательно, их закономерности надо изучать во взаимосвязи, учитывая функцию сознания в формировании замысла и исполнения целенаправленного двигательного действия. Специфические особенности предмета и научной дисциплины - биомеханики - позволяет раскрыть взаимосвязь механических и биологических закономерностей. Сознательное управление движениями с использованием этой специфики обеспечивает их высокую эффективность в различных условиях бытовых и спортивных движений.

Задачи биомеханики физических упражнений

Задачи каждой области знания определяют её содержание - её теорию и метод; последние разрабатываются для решения этих задач. Общая задача охватывает всю область учения в целом; частные же задачи важны при изучении конкретных вопросов изучаемых явлений.

Главная задача, при изучении двигательных действий человека, может быть сформулирована как оценка эффективности приложения сил, для более совершенного достижение поставленной цели. Следовательно, можно полагать, что изучение движений в биомеханике направлено на поиск эффективных способов выполнения двигательных действий спортсменом. Таким образом, биомеханика физических упражнений - это направление в общей биомеханике, изучающее движения человека в условиях выполнения им физических упражнений, как целенаправленных тренирующих воздействий.

Прежде чем приступить к разработке более совершенных способов действий, следует оценить уже существующие варианты спортивной техники. Отсюда вытекает задача определения эффективности способов исполнения изучаемого действия. Необходимо узнать, от чего зависит их эффективность, в каких условиях и как лучше их исполнять. Для этого следует оценивать их совершенство как соответствие движений поставленной цели. По выражению А.А. Ухтомского, биомеханика исследует, "каким образом полученная механическая энергия движения и напряжения может приобрести рабочее применение". Наиболее полное решение этой основной задачи в спорте дает материал, необходимый для проведения научно обоснованного тренировочного процесса.

Частные задачи биомеханики спорта состоят в изучении следующих основных вопросов:

а) строение, свойства и двигательные функции тела спортсмена;

б) рациональная спортивная техника;

в) техническое совершенствование спортсмена.

Поскольку особенности движений зависят от объекта движений - тела человека, в биомеханике спорта изучают (биомеханический аспект):

1) строение опорно-двигательного аппарата, его механические свойства и функции;

2) возрастные и половые особенности выполнения двигательных действий при занятиях физической культурой и спортом;

3) влияния уровня тренированности.

Эффективная соревновательная деятельность требует от спортсмена владения наиболее рациональной техникой движений. Поэтому в биомеханике физических упражнений подробно и глубоко исследуются особенности различных комплексов движений и пути их совершенствования. Осуществляется глубокий анализ имеющейся современной спортивной техники, а также разрабатывают новые, более рациональные формы движений, которые могут определять будущее развитие спорта. Биомеханическое обоснование технической подготовки подразумевает: определение особенностей и уровня технической подготовленности спортсменов, планирование рациональной спортивной техники, подбор подводящих и специальных упражнений и создание тренажёрных устройств для специальной физической и технической подготовки, оценку применяемых методов тренировки техники движений и их эффективности и экономичности.

Теория биомеханики спорта

Теория (от греч. theoria - наблюдение, исследование) - обобщение опыта, отражающее объективные закономерности развития природы и общества. 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. В теории структурности движений заложены следующие основные принципы:

§ принцип структурности построения систем движений - все движения в системе взаимосвязаны; именно эти структурные связи определяют целостность и совершенство действия;

§ принцип целостности действия - все движения в двигательном действии образуют единое целое, целостную систему движений, направленных на достижение цели.

Важно понимать, что изменение одного движения, как элемента системы, так или иначе, влияет на всю систему. Например, увеличение только скорости выпуска снаряда в метаниях, выражено изменяет результат, поскольку последний зависит от квадрата скорости вылета. В развитии системы движений существенное значение имеет принцип сознательной целенаправленности. Действительно, человек сознательно ставит цель, применяет целесообразные движения и управляет ими для решения двигательной задачи и достижения цели.

Метод биомеханики физических упражнений

Метод (от греч. methodos) 1) способ познания, исследования явлений природы, общества, 2) прием, способ или образ действия. Метод биомеханики в наиболее общем виде имеет в своей основе системный анализ и системный синтез действий с использованием количественных характеристик, а также использование моделирование движений.

Системный анализ заключается в выявлении состава элементов системы движений - этап познания целостности двигательного действия. Рассматривая характеристики движения, мысленно расчленяют по определённым правилам систему движений на составные части, устанавливая, таким образом, её состав.

Системный синтез действий проявляется в изучении изменения количественных характеристик движения, выявлении влияния составляющих его элементов друг на друга, определении причин целостности системы. Количественные характеристики движения позволяют на высшем уровне системного анализа строить модели системы движений (физические и математические). Синтез систем движений проводится как теоретически (моделирование), так и практически, при реальном построении систем движений - овладении спортивной техникой. Системный анализ и системный синтез действий неразрывно связаны друг с другом, дополняют друг друга в системно-структурном исследовании (рис. 2).

Широко применяемый в биомеханических исследованиях функциональный метод, позволяет изучать функциональную зависимость между свойствами и состояниями явлений, которые характеризуются определёнными параметрами, конкретными условиями, количественно определёнными законами. биомеханика механический движение физический

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Методы анализа и синтеза систем в биомеханике

Развитие биомеханики физических упражнений и спорта

Возникновению и развитию биомеханики как самостоятельной научной дисциплины способствовали определённые предпосылки - накопление знаний в области физических и биологических наук, а также научно-технический прогресс, позволивший разрабатывать совершенные сложные комплексные методики изучения движений и по-новому понимать их построение.

В биомеханике используются методы и приемы, заимствованные из общей механики и таких научных дисциплин, как гидро - и аэродинамика, сопротивление материалов, реология (теория упругости, пластичности и ползучести), теория механизмов и машин и ряд других).

Математические науки позволяют решать в биомеханике не только задачи прикладного характера, включающие математический анализ и статистическую обработку собранного материала, но на их основе появляются самостоятельные методы исследования (контроль за технической подготовленностью в спорте, математическое моделирование и прогноз развития техники двигательной деятельности спортсмена). Из биологических наук в биомеханике наиболее широко используются данные анатомии и физиологии.

В настоящее время в биомеханике выделяют три главных направления изучения предмета. Это механическое, функционально-анатомическое и физиологическое направления. В механическом направлении заложены основные идеи об изменении движений под действием приложенных сил и о применении законов механики к движениям животных и человека. В этом случае все феномены биомеханики анализируются с позиций чисто механического подхода, как это принято в теоретической механике и в теории машин и механизмов.

В функционально-анатомическом направлении развиваются идеи о единстве строения (морфологии) и функции органа, системы органов и всего тела человека и взаимосвязи всех процессов жизнедеятельности с двигательной функцией живых организмов. и взаимообусловленности формы и функции в живом организме.

В физиологическом направлении исследований в области биомеханики идеи системности функций организма, энергетического обеспечения и идея нервизма позволяют раскрыть значение процессов управления движениями в двигательной деятельности.

Механическое направление, начатое работами Дж. Борели (Италия), развитое В. Брауне и О. Фишером (Германия, США). Это научное направление, в настоящее время, представлено кроме России в работах многих зарубежных школ. Механический подход к изучению движений человека, прежде всего, позволяет определить количественную меру двигательных процессов, раскрываются строение и свойства опорно-двигательного аппарата, а также движения человека как целостные двигательные акты.

Функционально-анатомическое направление, созданное в нашей стране трудами П.Ф.Лесгафта, И.М.Сеченова, М.Ф.Иваницкого и др., характеризуется преимущественно описательным анализом движений в суставах, определением участия мышц в сохранении положений тела и в его движениях (использование электромиографии).

Физиологическое направление в отечественной школе биомеханики складывалось под влиянием идей нервизма, учения о ВНД и последних данных нейрофизиологии. Раскрытие в работах И.М. Сеченова, И.П. Павлова, А.А. Ухтомского, П.К. Анохина, Н.А. Берштейна и других исследователей рефлекторной природы двигательных действий и роли механизмов нервной регуляции при взаимодействии организма и среды составляет физиологическую основу изучения движений человека. Биомеханический анализ и научное обоснование спортивной техники необходимо для подготовки спортсменов высокой квалификации. Такая подготовка это комплексный педагогический процесс обучения и воспитания спортсмена на длительную перспективу. Для решения такой задачи в значительной мере была повышена педагогическая направленность биомеханики физических упражнений. С этой целью проводятся исследования рациональной техники у спортсменов с высшим уровнем спортивной квалификации, и в том числе разрабатывается теория и практика создания специальных тренажёров в спорте. Сформировался ряд научных направлений в биомеханике спорта в России, объединенных общими основами отечественной школы биомеханики, заложенной трудами и идеями Н. А. Бернштейна.

В зарубежных странах за последнее десятилетие резко расширился объём биомеханических исследований с применением ряда оригинальных и высокотехнологичных методик регистрации изучаемых параметров и в том числе широкое применение цифровой техники. Систематическое преподавание биомеханики в высших физкультурных учебных заведениях осуществляется во многих странах. Создано Международное общество биомехаников (International Biomechanical Society), проводятся симпозиумы и конгрессы по биомеханике, на которых значительное место занимает биомеханика спорта. При президиуме Российской академии наук (РАН) создан Научный Совет по проблемам биомеханики с секциями, охватывающими проблемы инженерной, медицинской и спортивной биомеханики.

Связи биомеханики с другими науками

Биомеханика как одна из биологических наук нового типа начинает сближаться по методам исследования с точными науками. Общая биомеханика как раздел биофизики, включающая изучение биосистем, возникла на стыке физико-математических и биологических областей знания (рис. 3).