Механическое, фкнкционально-анатомическое и физиологическое направлевления в развитии биомеханике

4. Механическое, фкнкционально-анатомическое и физиологическое направлевления в развитии биомеханике. В механическом направлении заложены основные идеи об изменении движений под действием приложенных сил и о применимости законов механики к движениям человека и животных. В функционально-анатомическом – идеи о единстве и взаимообусловленности формы и функции в живом организме. В физиологическом – идеи системности функций организма, энергетического обеспечения и идея нервизма, раскрывающая значение процессов управления движениями в двигательной деятельности.

Механическое направление, начатое работами Д. Борели, развитое Брауне и Фишером, представлено сейчас в работах многих зарубежных школ. механический подход к изучению движений человека прежде всего позволяет определять количественную меру двигательных процессов. Измерение механических показателей двигательной функции совершено необходимо для объяснения физической сущности механических явлений. Это одна из основ биомеханики. С точки зрения физики раскрываются строение и свойства опорно-двигательного аппарата, а также движений человека. В этом отношении механическое направление никогда не потеряет своего значения. Вместе с тем иногда встречается упрощенная трактовка биомеханики как «прикладной к живому» механики, что ограничивает возможности познания действительной сложности движений человека и их целенаправленного совершенствования.

Функционально-анатомическое направление (динамическая анатомия) возникло в России. Среди его основоположников П.Ф. Лесгафт (1837-1930), И.М. Сеченов (1829-1905), М.Ф. Иваницкий (?-?). это направление характеризуется преимущественно описательным анализом движений в суставах, определением участия мышц в сохранении положения тела и его движениях. знание морфологических особенностей биомеханических систем обеспечивает более глубокое и правильное обоснование физической и технической подготовки в физическом воспитании и, в частности, в спорте.

Физиологическое направление складывалось под влиянием идей нервизма, учения о высшей нервной деятельности и данных нейрофизиологии. И.М. Сеченов, И.П. Павлов (?-?), А.А. Ухтомский (1875-1942), П.К. Анохин (?-?), Н.А. Бернштейн и др. показали в своих работах рефлекторную природу двигательных действий и роль механизма нервной регуляции при взаимодействии организма и среды. Труды этих авторов составляют основу для исследования движений с учетом физиологии организма. В частности П.К. Анохин явно указал, что только представление о цели связывает деятельность разрозненных систем организма в единое целое – функциональную систему. Исследования Н.А. Бернштейна позволили ему установить чрезвычайно важный принцип управления движениями общепризнанный в настоящее время. Управление движениями осуществляется посредством: а) приспособления импульсов (команд) нервной системы по ходу движения к конкретным условиям его выполнения; б) устранения отклонений от задачи движения (коррекция).

5. Развитие биомеханики спорта. Современный этап развития биомеханики спорта. Современный этап развития биомеханики спорта. Биомеханика спорта в нашей стране развилась из биомеханики физических упражнений, созданной П.Ф. Лесгафтом во второй половине 19 века в России. До 1927 года этот курс (теория телесных движений) входил в предмет «физическое образование», а затем был выделен в самостоятельный предмет под названием «теория движения». С 1931 года переименован в курс «биомеханика физических упражнений».

С 1930-х гг. в институтах физической кльтуры в Москве (Н.А. Бернштейн), Ленинграде (Е.А. Котикова, Е.Г. Котельникова), Тбилиси (Л.В. Чхаидзе), Харькове (Д.Д. Донской) и других городах развернулась учебная и научная работа по биомеханике спорта. После выхода в свет в 1939 г. Учебного пособия «Биомеханика физических упражнений» (под ред. Е.А. Котиковой) биомеханическое обоснование спортивной техники стало входить во все учебники по видам спорта.

Необходимость улучшения подготовки спортсменов СССР к Олимпийским играм послужила мощным стимулом развития биомеханики спорта. С 1958 г. Во всех ИФК биомеханика стала обязательной учебной дисциплиной, создавались кафедры биомеханики, разрабатывались программы, издавались пособия и учебники, готовились кадры преподавателей.

С середины 1960-х гг. получило значительное развитие такое направление биомеханики как математическое моделирование (В.Т. Назаров, 1965; В.Н. Тутевич, 1969) спортивных движений.

Исследованиями И.М. Козлова (1975), И.П. Ратова (1970) была показана исключительная ценность непрерывной параллельной регистрации биомеханических и электрофизиологических параметров при изучении спортивных движений для установления связи между различными феноменами движений.

Значительный вклад в понимание биомеханических процессов, имеющих место при выполнении спортивных движений, внесли электрофизиологи Коц, Персон, Коряк, Коми.

В конце 1960-х гг. создано Международное общество биомехаников, проводятся симпозиумы и конгрессы по биомеханике, на которых значительное место занимает биомеханика спорта. При президиуме Академии наук России существует Научный Совет по проблемам биомеханики с секциями по проблемам инженерной, медицинской и спортивной биомеханики.

6 Кинематические характеристики. Системы отсчета расстояния и времениКинематические характеристикиКинематика движений человека определяет геометрию (пространственную форму) движений их изменения во времени (характер) без учета масс и действующих сил. Она дает в целом только внешнюю картину движений. Причины же возникновения и изменения движений (их механизм) раскрывает уже динамика.Кинематические характеристики тела человека и его движений - это меры положения и движения человека в пространстве и во времени: пространственные, временные и пространственно - временные.Кинематические характеристики дают возможность сравнивать размеры тела и его звеньев, а также кинематические особенности движений у разных спортсменов, От учета этих характеристик во многом зависит индивидуализация техники спортсменов, поиск оптимальных именно для них особенностей движений.Системы отсчета расстояния и времениДвижения человека и спортивных снарядов можно измерить только сравнивая их положения с положением выбранного для сравнения тела (тело отсчета), т. е. все движения рассматриваются как относительные.Системы отсчета расстоянияСистема отсчета (расстояния) - условно выбранное твердое тело, по отношению к которому определяют положение других тел в разные моменты времени.В мире не существует абсолютно неподвижных тел, все тела движутся, Но одни из них движутся так, что изменения их скорости (ускорения) несущественны для решения данной задачи и ими можно пренебречь, - это инерциальные системы отсчета. Такие тела - Земля и. тела, связанные с нею неподвижно (дорожка, лыжня, гимнастический снаряд). В подобной системе покоящиеся тела не испытывают действия сил; значит, в ней ни одно движение не начинается без действия силы.Другие тела движутся с ускорениями, которые существенно влияют на решение данной задачи, - это неинерциальные системы отсчета (скользящая лыжа, раскачивающиеся кольца). В таких случаях способы расчета и объяснения особенностей движений уже иные, что иногда обязательно учитывать.С телом отсчета связывают начало и направление измерения расстояния и устанавливают единицы отсчета. Для точного определения спортивного результата правила соревнований предусматривают, по какой точке (пункт отсчета) ведется отсчет (по уровню лыжных креплений, по выступающей точке грудной клетки спринтера, по заднему краю следа приземляющегося прыгуна и т. п.).Движущееся тело рассматривают либо как материальную точку, положение которой определяют, либо на нем выделяют пункты отсчета (определенная точка на теле человека). В случае вращательного движения выбирают линию отсчета. Для описания (задания) движения применяют естественный, векторный и координатный способы.Устанавливают единицы измерения расстояния - линейные и угловые. В международной системе единиц (СИ) принята основная линейная единица - метр.Из угловых единиц применяются: а) градус, минута, секунда - при измерении углов; б) оборот - при приближённом подсчёте поворотов вокруг оси; в) радиан ( для расчётов по формулам ) - угол между двумя радиусами круга, вырезающими на окружности дугу, равную по длине радиусу ( радиан= 57*17 44`,8"; 1*= 0,01745 рад. ).Системы отсчета времениВ систему отсчета времени входят определенное начало и единицы отсчета.За начало отсчета времени принимают: а) полночь - во всех учреждениях, на транспорте, на предприятиях связи и т. п.; б) полночь и полдень - в обычных житейских условиях и а) судейское время ("секундомеры на ноль") - в условиях соревнований. В биомеханике за начало отсчета времени обычно принимается либо момент начала всего движения или его части, либо момент начала наблюдения за движением. В течение одного наблюдения пользуются только одной системой отсчета времени.За единицу отсчета времени принимают секунду (с; 60 с= 1мин; 60 мин = 1 час), а также доли секунды - десятая, сотая, тысячная (миллисекунда). Направление течения времени в действительности - от прошлого к будущему. Исследуя движение, можно отсчитывать время и в обратном направлении - к прошлому (за 0,02 с до удара; 0,05 с до отрыва ноги от опоры и т. д.).

7. Пространственные характеристики: путь, траектории, кривизна. Элементарное перемещение, угловое перемещение. Пространственные характеристикиПространственные характеристики позволяют определять положения, например исходное для движения и конечное (по координатам), и движения (по траекториям).Движения человека можно изучать рассматривая его тело (в зависимости от поставленных задач) как материальную точку, как одно твердое тело или как систему тел.Тело человека рассматривают как материальную точку, когда перемещение тела намного больше, чем его размеры (если не исследуют движения частей тела и его вращение).Тело человека приравнивают к твёрдому телу, когда можно не принимать во внимание взаимные перемещения его звеньев и деформации тканей, когда важно учитывать лишь его размеры, расположение в пространстве и ориентацию (в частности, при изучении условий равновесия, вращения тела в постоянной позе).Тело человека изучают как систему тел, когда важны ещё и особенности движений звеньев тела, влияющие на выполнение двигательного действия.Поэтому, определяя основные пространственные характеристики движений человека (координаты и траектории), заранее уточняют, к какому материальному объекту (точке, телу, системе тел) приравнивают в данном случае тело человека.Прим.: В некоторых странах еще сохраняются (в частности, при измерениях в спорте) иные единицы измерения: 1 ярд = 3 фута = 36 дюймов; 1 дюйм = 2,54 см; 1 фут = 30,48 см; 1 ярд = 91,44 см (1 м = 1,094 ярда = 3,28 фута = 39,4 дюйма).Координаты точки, тела и системы телКоординаты точки - это пространственная мера местоположения точки относительно системы отсчета. Местоположение точки определяют измеряя, например, ее линейные координаты Sx, Sy, Sz; формула размерности: [S]= L.По координатам определяют, где находится изучаемая точка (например, пункт отсчёта на теле человека) относительно начала отсчёта. Как известно, положение точки на линии определяет одна координата, на плоскости - две, в пространстве - три координаты.Положение твёрдого тела в пространстве можно определить по координатам трёх его точек (не лежащих на одной прямой). Можно также определить местоположение одной из точек тела (по ее линейным координатам) и ориентацию тела относительно системы отсчета (по угловым координатам).Положение системы тел (звеньев тела человека), которая может изменять свою конфигурацию (взаимное расположение звеньев), определяют по положению каждого звена в пространстве.Удобно использовать при этом угловые координаты например суставные углы, и по ним устанавливать позу тела как взаимное расположение его звеньев. Практически нередко сочетают: 1) определение местоположения какой-либо точки (например, общего центра масс тела или точки опоры); 2) определение позы (взаимного расположения звеньев), 3) определение ориентации тела (по линии отсчета, проведённой в теле).Изучая движение, нужно определить: 1) исходное положение, из которого движение начинается; 2) конечное положение, в котором движение заканчивается; 3) ряд мгновенных (непрерывно сменяющихся) промежуточных положений, которые принимает тело при движении.Кинокадры какого-либо упражнения показывают как раз такие положения. В механике описать движение (найти закон движения) - значит определить положение любой точки системы в любой момент времени. Иначе говоря, определить в любой момент времени координаты пунктов или линий отсчета, отмеченных на теле, по которым изучают его движение в пространстве.Траектория точкиТраектория точки - это пространственная характеристика движения: геометрическое место положений движущейся точки в рассматриваемой системе отсчета. На траектории определяют ее длину, кривизну и ориентацию в пространстве, а также перемещение точки.Траектория - это непрерывная линия, воображаемый след движущейся точки: она дает пространственный рисунок движения точки (рис. 3). Расстояние по траектории показывает, каков путь точки.В прямолинейном движении (направление его не изменяется) (рис. 4) путь точки при движении в одну сторону равен расстоянию от начального положения до конечного. В криволинейном движении (направление его изменяется) пусть точки равен расстоянию по траектории в направлении движения от начального положения до конечного.Кривизна траектории (к) показывает, какова форма движения точки в пространстве. Чтобы определить кривизну траектории, измеряют радиус кривизны (R). Кривизна - величина, обратная радиусу:Если траектория является дугой окружности, то ее радиус кривизны постоянный. С увеличением кривизны ее радиус уменьшается, и наоборот, с уменьшением - увеличивается.Ориентация траектории в пространстве при одной и той же ее форме может быть разная. Ориентацию для прямолинейной траектории определяют по координатам точек начального и конечного положений; для криволинейной траектории - по координатам этих двух точек и третьей точки, не лежащей с ними на одной прямой линии.Перемещение точки показывает, в каком направлении и на какое расстояние сместилась точка. Перемещение (линейное) находят по разности координат точки в моменты начала и окончания движения (в одной и той же системе отсчета расстояния):Перемещение определяет размах и направление движения. В случае, когда в результате движения точка вернулась в исходное положение, перемещение, естественно, равно нулю. Перемещение - это не само движение, а лишь его окончательный результат, расстояние по прямой и ее направление от начального до конечного положения.Рассматривают элементарное перемещение точки - из данного положения в положение, бесконечно близкое к нему. Геометрическая сумма элементарных перемещений равна конечному перемещению из начального положения в конечное. На криволинейной траектории элементарное перемещение считают равным пути.Перемещение тела при поступательном и вращательном движении измеряется различно. Перемещение тела линейное (в поступательном его движении) можно определить по линейному перемещению любой его точки. Ведь в поступательном движении прямая, соединяющая две любые точки тела, перемещаясь (прямолинейно либо криволинейно), остается параллельной своему начальному положению. Все точки тела движутся одинаково: по подобным траекториям, с одинаковыми скоростями и ускорениями. Достаточно из координаты конечного положения любой точки тела вычесть соответствующую координату ее начального положения, чтобы определить перемещение всего тела.Перемещение тела угловое (во вращательном его движении) определяют по углу поворота. При вращательном движении тела в нём имеется линия, все точки которой остаются во время всего движения неподвижными (лежат на оси). Остальные же точки тела движутся по дугам окружностей, центры которых лежат на этой неподвижной линии - оси вращения (рис. 4, в). Перемещение тела (угловое) находят по разности угловых координат условной линии отсчета (в одной и той же системе отсчета расстояния):Если из любой точки тела опустить перпендикуляр на ось вращения ( рис. 4, в), то при вращении тела эта линия (радиус вращения) повернётся в плоскости поворота вокруг оси на угол (угол поворота).Рассматривают также элементарное угловое перемещение тела из данного углового положения в положение, бесконечно близкое к нему.Любое движение тела в пространстве можно представить как геометрическую сумму его поступательного и вращательного (относительно любого полюса, в частности его центра масс) движений.Перемещение системы тел (биомеханической системы), изменяющей свою конфигурацию, определить намного сложнее. В самых упрощенных случаях движение ее рассматривают как движение одной материальной точки - обычно общего центра масс (ОЦМ). Тогда можно проследить за перемещением всего тела человека "в целом", оценить в известной мере общий результат его двигательной деятельности. Но останется неизвестным, в результате каких именно движений достигнуто перемещение ОЦМ. Иногда перемещение тела человека представляют в виде перемещения условно связанной с ним линии (линия отсчёта).В биомеханических системах, характеризующихся неопределённостью движений в сочленениях, стараются добиваться требуемой определённости, но возможности найти закон движения всех звеньев тела в целом очень невелики. Они несколько больше в видах спорта, где техническое мастерство проявляется (и в значительной мере) именно в точном воспроизведении заранее заданных, детально определенных движений (например, в гимнастике, фигурном катании на коньках).

8.Временные характеристики: момент времени, длительность движений, темп, ритм движения.

Временные характеристикиВременные характеристики раскрывают движение во времени: когда оно началось и закончилось (момент времени), как долго длилось (длительность движения), как часто выполнялось движение (темп), как они были построены во времени (ритм). Вместе с пространственно-временными характеристиками они определяют характер движений человека.Определяя, где была точка в пространстве, необходимо определить, когда она там была.Момент времениМомент времени - это временная мера положения точки тела и системы. Момент времени определяют промежутком времени до него от начала отсчета:Момент времени определяют не только для начала и окончания движения, но и для других важных мгновенных положений. В первую очередь это моменты существенного изменения движения: заканчивается одна часть (фаза) движения и начинается следующая (например, отрыв стопы от опоры в беге - это момент окончания фазы отталкивания и начала фазы полета). По моментам времени определяют длительность движения.Длительность движенияДлительность движения - это его временная мера, которая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения:Длительность движения представляет собой промежуток времени между двумя ограничивающими его моментами времени. Сами моменты (как границы между двумя смежными промежутками времени) длительности не имеют. Ясно, что, измеряя длительность, пользуются одной и той же системой отсчета времени. Узнав расстояние, пройденное точкой, и длительность ее движения, можно определить ее скорость. Зная длительность движений, определяют также их темп и ритм.Темп движенийВ повторных движениях одинаковой длительности темп характеризует их протекание во времени.Темп движений - это временная мера их повторности. Он измеряется количеством движений, повторяющихся в единицу времени (частота движений):Темп - величина, обратная длительности движений. Чем больше длительность каждого движения, тем меньше темп, и наоборот. В повторяющихся (циклических) движениях темп может служить показателем совершенства техники. Например, частота движений у лыжников, пловцов, гребцов высокой квалификации (при более высокой скорости передвижения) больше, чем у менее подготовленных. Известно, что с утомлением темп движений изменяется: он может повышаться (например, при укорочении шагов в беге) или понижаться (например, пои неспособности поддерживать его в лыжном ходе).Ритм движенийРитм движений (временной) - это временная мера соотношения частей движений. Он определяется по соотношению длительности частей движения:Ритм движений характеризует, например, отношение времени опоры к времени полета в беге или времени амортизации (сгибания колена) к времени отталкивания (выпрямления ноги) при опоре. Примером соотношения длительности и частей движения может служить ритм скользящего шага на лыжах (соотношение длительности пяти фаз шага). С изменением темпа шагов изменяется и их ритм (рис. 5). Кроме временных можно определить еще пространственные показатели ритма (например, отношение длины выпада в шаге на лыжах к длине скольжения).Чтобы определить ритм (временной), выделяют фазы, которые различаются по задаче движения, по его направлению, скорости, ускорению и другим характеристикам. Ритм отражает прилагаемые усилия, зависит от их величины, времени приложения и других особенностей движений. Поэтому по ритму движений можно в известной мере судить об их совершенстве. В ритме особенно важны акценты - большие усилия и ускорения - их размещение во времени. При овладении упражнениями иногда лучше сначала задать ритм, чем подробно описывать детали движений; это помогает быстрее понять особенности изучаемого упражнения, его построение во времени.В каждом движении есть различающиеся части, например подготовительные и исполнительные (основные) движения, разгон и торможение. Значит, ритм можно определить в каждом упражнении. Так называемые "неритмичные" движения - это не вообще лишенные ритма движения, а движения с отклонениями от заданного рационального ритма. Иначе говоря, неритмичные движения - это движения без определенного постоянного ритма или с неправильным, нерациональным ритмом.

9. Пространственно-временные характеристики:Скорость (средняя, линейная, угловая) точек и звеньев человека. По пространственно-временным характеристикам определяют, как изменяются положения и движения человека во времени, как быстро человек изменяет свои положения (скорость) и движения (ускорение).Скорость точки и телаСкорость точки - это пространственно - временная мера движения точки (быстроты изменения ее положения). Скорость равна первой производной по времени от расстояния в рассматриваемой системе отсчета:Скорость точки определяется по изменению ее координат во времени. Скорость - величина векторная, она характеризует быстроту движения и его направление. Так как скорость движений человека чаще всего не постоянная, а переменная (движение неравномерное и криволинейное), для разбора упражнений определяют мгновенные скорости.Мгновенная скорость - это скорость в данный момент времени или в данной точке траектории, как бы скорость равномерного движения на очень малом участке траектории около данной точки траектории. Мгновенную скорость можно себе представить как такую, которую сохранило бы тело с того момента, когда все силы перестали на него действовать. Средняя же скорость - это такая скорость, с которой точка в равномерном движении за то же время прошла бы весь рассматриваемый путь. Средняя скорость позволяет сравнивать неравномерные движения.Скорость точки (линейная) в прямолинейном движении направлена по траектории, в криволинейном - по касательной к траектории в каждой рассматриваемой ее точке.Скорость тела определяют по скорости его точек. При поступательном движении тела линейные скорости всех его точек одинаковы по величине и направлению. При вращательном движении определяют угловую скорость тела как меру быстроты изменения его углового положения. Она равна по величине первой производной по времени от углового перемещения:Чем больше расстояние от точки тела до оси вращения (т. е. чем больше радиус), тем больше линейная скорость точки. Скорость вращательного движения твердого тела (в радианах) равна отношению линейной скорости каждой точки к ее радиусу (при постоянной оси вращения). Угловая скорость для всех точек тела, кроме лежащих на оси, одинакова:Значит, линейная скорость любой точки вращающегося тела, не лежащей на оси, равна его угловой скорости, умноженной на радиус вращения этой точки (расстояние от нее до оси вращения). Скорости сложного движения твердого тела можно определить по линейной скорости любого полюса и угловой скорости вращения тела относительно этого полюса (например, вокруг оси, проходящей через центр масс - ЦМ).Скорость системы тел, изменяющей свою конфигурацию, нельзя определить таким же образом, как угловую скорость твердого тела. В этом случае определяют линейную скорость ОЦМ системы. Часто определяют линейные скорости точек звеньев тела (проекций осей суставов на поверхность тела). Кроме того, при изменениях позы определяют угловые скорости звеньев тела относительно суставных осей; эти скорости обычно изменяются по ходу движения. Для биомеханического обоснования техники нужно в каждом случае выбрать, какие скорости каких звеньев и точек следует определить.