Введение. Предмет и история биомеханики

БИОМЕХАНИКА

 

 

Лекция 1. Введение. Предмет  и история биомеханики.

 

Биомеханика – раздел биофизики, наука, изучающая механические свойства живых систем и механические явления, сопровождающие процессы жизнедеятельности.

К живым системам относятся:

-) клетки, ткани, органы и системы  организма;

-) целостные организмы;

-) объединения организмом.

Предметом биомеханики являются законы механического движения в живых системах. Объектом познания биомеханики являются живые системы и движение живых систем.

Механические свойства и явления в живых системах, которые исследует биомеханика:

-) движение системы в целом;

-) движение отдельных частей  живой системы;

-) деформация частей живой системы;

-) движение жидкостей и газов  внутри живой системы;

-) устойчивость и управляемость  движений;

-) механические и биологические  причины движений и зависящие  от них особенности двигательных  действий в различных условиях.

Биомеханика находится на стыке  различных наук: физики, биологии, математики, медицины, анатомии, физиологии, биохимии, сопротивления материалов.

Механическое движение живых систем проявляется как:

1) передвижение всей биосистемы  в пространстве;

2) изменение конфигурации биосистемы – передвижение одних её частей относительно других; изменения конфигурации биосистемы в биомеханике рассматриваются как деформации.

Законы Ньютона описывают движение абсолютно твёрдых тел, которые  не деформируются. В живых системах относительное расположение их частей меняется существенно. Сами части живой  системы (например, позвоночный столб, грудная клетка) также могут деформироваться. Работа сил в живой системе  тратится и на деформацию и на передвижение системы в целом. Чисто механического  движения в природе не существует. Для твёрдых тел деформации столь  малы, что зачастую их не учитывают. Механическое движение биосистемы всегда сопровождается превращениями механической энергии в другие виды (тепловую, электрическую) и её потерями.

Механическое движение высокоорганизованных биосистем происходит под действием внешних механических сил (тяжести, трения, упругости, давления)  и сил тяги мышц. Сила тяги мышц управляется центральной нервной системой и, следовательно, обусловлена физиологическими процессами. Физиологические процессы, т.е. биологическая составляющая движений биосистем, определяет причины организации механических сил.

Особенности механического  движения человека.

Двигательная деятельность человека осуществляется в виде двигательных действий, которые организованы из многих взаимосвязанных движений. Особенностью механического движения человека является то, что в этом процессе участвует  сознание – продукт наиболее высокоорганизованной материи – мозга. Поэтому двигательная деятельность человека существенно  отличается от движений других живых  систем, в том числе и животных. Это отличие проявляется в  осознанной целенаправленности активности человека, в понимании смысла такой  активности, в возможности контролировать и планомерно совершенствовать свои движения.

Сходство между движениями человека и животных имеется только на биологическом  уровне. Человек активно преобразует  свою собственную природу, физически  совершенствуется. Животные могут выполнять действия, похожие на человеческие, но этот процесс происходит пассивно – только под действием целенаправленной деятельности самого человека.

Человек произвольно, по собственной  воле, начинает движения, изменяет их и  прекращает, когда цель достигнута. Действия человека всегда имеют цель, определённый смысл.

Движения отдельных частей тела объединены в управляемые системы  движений. В системы движений входит также и активное сохранение положений  отдельных частей тела, а иногда и всего тела. Каждое движение выполняет  свою роль в целостном действии, так или иначе, соответствует цели действия.

Причины движений человека необходимо рассматривать с точки зрения взаимосвязи механики и биологии с учётом роли сознания в целенаправленном управлении движениями. Сознание позволяет  управлять движениями и использовать эту специфику для обеспечения  их высокой эффективности в различных  условиях исполнения.

Следует отметить, что на живой  организм действуют постоянные и  переменные внешние факторы: гравитация, невесомость, ускорения, температура, излучения, давление, магнитные и  электрические поля.

 

История биомеханики

Основы биомеханики были заложены еще в далекой древности. Архимед  вывел свой закон о равновесии плавающих тел, Аристотель и Демокрит пытались объяснить органическую жизнь с точки зрения атомизма. Эти исследования относятся к III-IV векам до н.э. Анализу движений животных и человека посвящены работы Аристотеля и Галена.

Затем был длительный перерыв, характерный  почти для всех наук. В XV веке Леонардо да Винчи, который особенно интересовался строением человеческого тела, описывает механику человеческого тела в движении. Он описал механику тела при переходе из положения сидя к положению стоя, при ходьбе вверх и вниз, при прыжках. Леонардо да Винчи впервые дал описание походок человека и виды движений лошади (аллюры).

В XVI веке Рене Декарт создал основу рефлекторной теории, показав, что причиной движений могут быть факторы внешней среды, воздействующие на органы чувств.

Немного позднее Галилей закладывает  основы механики, а Гарвей объясняет  механизм кровообращения в организме  животного и человека. Эти исследования стали источником идей сравнения  живого организма с машинами, работающими  по законам механики.

В конце XVI века Гук формулирует  закон механики о зависимости  между деформацией и напряжением  идеально-упругого тела, который лёг в основу биомеханического объяснения работы мышц.

В 1679 году века Джованни Борелли выпускает  первую книгу по биомеханике «О движениях  животных». Это первая монография о движении биосистем. Эта книга считается началом развития биомеханики как науки. Борелли рассматривал организм человека как машину и стремился объяснить дыхание, движение крови и работу мышц с позиций механики. Д. Борелли – ученик Г. Галилея.

Открытие  Ньютоном трёх основных законов механики завершило формирование базиса для биомеханических исследований.

Подробное изучение биомеханики движений началось в конце XIX века работами Брауна и Фишера, которые разработали методику регистрации движений, детально изучили динамическую сторону перемещений конечностей и общего центра тяжести (ОЦТ) человека при нормальной ходьбе. П.Ф. Лесгафт создал биомеханику физических упражнений, разработанную на основе динамической анатомии.

В XX веке Н.А. Бернштейн дал теоретическое обоснование процессов управления движениями с позиций общей теории больших систем. Нейрофизиологические концепции Н.А. Бернштейна послужили основой формирования современной теории биомеханики движений человека.

Большое влияние на развитие биомеханики  оказали динамическая анатомия, физиология, в том числе учение И.П. Павлова  о нервизме и учение П.К. Анохина  о функциональных системах.

В начале XX века А.А. Ухтомский показал, что сила мышц при прочих равных условиях зависит от их поперечного сечения: чем больше поперечное сечение мышцы, тем больший груз она в состоянии поднять. М.Ф. Иваницкий разработал динамическую анатомию применительно к задачам физкультуры и спорта.

В середине XX века учёные создали протез руки, управляемый электрическими импульсами, поступающими из нервной системы.

В 1964 году создан протез руки с обратной связью, т.е. протез, от которого непрерывно поступала  информация в центральную нервную систему о силе сжатия или разжатия кисти, о направлении движения руки. В том же 1964 году создан протез ноги. Была создана гидравлическая модель коленного сустава, позволяющая добиться естественной ходьбы.

В 1973 году Р. Гренитом было введёно понятие  о двигательных единицах: медленных  и быстрых.

Биомеханические исследования позволили создать  новый тип обуви, спортивного  инвентаря, оборудования и техники  управления ими.

Изучение  гидродинамических характеристик  рыб и дельфинов дало возможность  создать специальные костюмы  для пловцов и изменить технику  плавания для повышения скорости.

Дальнейшее  развитие биомеханики пошло по нескольким направлениям, среди которых, помимо спортивной биомеханики, можно выделить:

• спортивная биомеханика;
• инженерная биомеханика, связанная с роботостроением;
• медицинская биомеханика, исследующая причины, последствия и способы профилактики травматизма, прочность опорно-двигательного аппарата, вопросы протезостроения;
• эргономическая биомеханика, изучающая взаимодействие человека с окружающими предметами с целью их оптимизации.

В нескольких странах созданы научные  институты биомеханики. Выпускается журнал «Biomechanics», в котором публикуются последние исследования по этой науке.