Предмет біомеханіки

Біомеханіка (від греч.bios – життя і mechane – машина), згідно з радянським енциклопедичним словником (1985) – це розділ біофізики, що вивчає механічні властивості живих тканин, органів і організму в цілому, а також механічні явища, що проходять в них (при рухах, диханні і т.інш.). Велика медична енциклопедія (1957) вважає, що біомеханіка є відділом фізіології, що вивчає рухи тварин і людини. В підручнику для студентів інститутів фізичної культури Д.Д.Донського, В.М.Заціорського біомеханіка визначається як наука про закони механічного руху в живих системах.

В самому широкому розумінні до живих систем (біосистем) відносять:

а) цілісні організми (напр., людина),

б) їх органи і тканини, а також рідини і гази в них (внутріш-ньоорганізменні системи) і навіть

в) об‘єднання організмів (напр., спільно діюча пара акробатів, спортсменів і др.).

Вивченням цих проблем займаються інженерна, медична, спортивна біомеханіка та біомеханіка трудових процесів (Янсон Х.А., 1975).

На кафедрі “Фізичної реабілітації” ВМУРоЛ “Україна” Вінницького представництва студенти денної і заочної форм навчання вивчатимуть медичну біомеханіку, багато питань спортивної біомеханіки, виходячи з даних анатомії, фізіології, біології, теоретичної механіки, тобто біомеханіку людського організму.

Медична біомеханіка, вивчаючи варіанти стану організму здорової люди-ни, з однієї сторони, створює сукупність знань про стан організму людини з порушеннями рухів і заходах по їх профілактиці та відновленню, з другої сторони. Тому для вивчення медичної біомеханіки методологічне значення мають вирішення наступних питань:

1. Розмежування понять норми і патології в конкретно-науковому плані; вирішення питання про існування чіткої границі між ними або перехідного (пограничного) стану.

2. Уточнення природи факторів, що викликають біомеханічні зміни в умовах предпатології і патології, що розвинулась.

3. Співставлення факторів благополуччя і ризику, їх ролі в медичній біомеханіці при вирішенні завдань профілактичної медицини.

Медична біомеханіка, відштовхуючись від біологічної норми людини, її опорно-рухового апарату, рухових дій, є однією з основних ланок в розробці форм і методів фізичної реабілітації людини.

Вивчивши структуру органів руху, будову суглобів, закономірності руху окремих ланок і тіла в цілому, характер і направлення діючих сил в їх зовнішньому і внутрішньому проявах на основі даних структурного, кінематичного і динамічного аналізу керованих кінематичних ланцюгів у здорових, студенти матимуть ґрунтовну підставу для використання цих знань для підвищення адаптаційних можливостей людини, спортсменів, фізичної реабілітації хворих та інвалідів з різними фізичними вадами, наслідками травм та вроджених захворювань, що порушують біомеханіку людського організму.

Після вивчення курсу медичної біомеханіки студент повинен достатньо знати:

1. Будову і основні функції опорно-рухового апарату людини.

2. Принципи керування руховими діями людини.

3. Порушення біомеханіки рухових дій при:

- наслідках уражень центральної нервової системи (ЦНС);

- наслідках уражень периферійної нервової системи (ПНС);

- наслідках травматичних уражень, вроджених і набутих захворювань верхніх і нижніх кінцівок з ортопедичною патологією;

- наслідках травм, хвороб і вікових змін хребта, особливо у жінок в менопаузальному періоді.

Окрім перелічених теоретичних знань студент повинен уміти:

- аналізувати кінематику та динаміку рухів за даними об‘єктивної регістрації;

- кількісно оцінювати біомеханічні характеристики тіла людини та її рухових дій, а також рівень розвитку різних рухових якостей;

- визначати контингент хворих та інвалідів з фізичними вадами, що потребують фізичної та медичної реабілітації.

Н.А.Бернштейн ще в 1929 році в статті “Клінічні шляхи сучасної біомеханіки” накреслив основні завдання і перспективи біомеханічних досліджень в клініці, показав їх значимість для розуміння питань патогенезу різних страждань. В.І.Філатов з співавторами (1980) пропонує термін “Клінічна біомеханіка”, враховуючи те велике коло проблем, які охоплює біомеханіка стосовно різних клінічних дисциплін (ортопедія, травматологія, педіатрія, протезування, функціональна діагностика і ін.).

О б ‘ є к т о м п і з н а н н я біомеханіки є людина, яка знаходиться в процесі дії. Ці дії створюють систему взаємно залежних активних рухів, пов‘язаних з особливостями будови опорно-рухового апарату людини.

О б л а с т ь в и в ч е н н я біомеханіки – це механічні і біологічні причини рухів і залежні від них особливості рухових дій в різних умовах фізичної активності.

З а в д а н н я біомеханічного дослідження зводиться до того, щоб по фактичному русі за його структурними і кінематичними характеристиками визначити динамічну сторону руху, характер взаємодії внутрішніх і зовнішніх сил. Рухи самі по собі не відбуваються, а виникають і здійснюються під впливом зовнішніх (і внутрішніх) подразників шляхом включення в рухові акти внутрішньої інерваційної структури, тобто нервової системи, яка приймає безпосередню участь у здійсненні і регуляції рухів. В цій частині біомеханіка тісно переплітається з одним із суміжних розділів фізіології – вченням про координацію рухів. Це є перше завдання біомеханічного дослідження.

Д р у г и м з а в д а н н я м біомеханічного дослідження є вивчення просторового положення тіла (хода, стояння, сидіння і ін.). В цьому випадку дослідження зводиться до визначення величин статичних моментів, положення загального центру ваги (ЗЦВ) тіла по відношенню до опорної поверхні, степені стійкості тіла при даному положенні, тобто по суті до установлення характеру взаємодії внутрішніх і зовнішніх сил. Вирішення цієї задачі тісно пов‘язане із загальною фізіологією, а саме з розділом вчення про положення і рівновагу тіла в просторі.

П р а к т и ч н е (прикладне) з н а ч е н н я біомеханіки.

Підсумовуючи вище викладене, дізнаємося, що вивчення біомеханіки фізичних вправ сприяють:

- розкриттю основ майстерності і розробки науково обґрунтованих прийомів тренування спортсменів;

- удосконаленню структури робочих рухів людини;

- розробленню відповідних профілактичних, діагностичних, лікувальних і реабілітаційних заходів для хворих з центральними і периферійними ушкодженнями нервової системи, з порушенням функцій опорно-рухового апарату;

- виготовленню протезів на верхні та нижні кінцівки і др.

Для кращого розуміння суті і ролі механічного руху людини розглянемо основні поняття про рух взагалі і про рухи організмів (людини) конкретно.

1.1. Поняття про форми руху.

Рух як форма існування матерії так же різноманітний, як різноманітний світ.

З розвитком матерії утворювалися все вищі рівні її організації (структурні рівні матерії): від неживої – до живої, від живої – до думаючої.Для кожної з них характерні все більш складні властивості і закономірності існування і розвитку.

Ф.Енгельс розрізняв прості форми руху матерії – механічну, фізичну і хімічну (проявляються як в неживій, так і в живій природі) і складні, вищі – біологічну ( все живе) в соціальну (суспільні відносини, мислення).

Кожна складна форма руху завжди включає в себе більш прості форми. Простіша форма – механічна, вона існує скрізь. Та чим вище форма руху, тим менш суттєва механічна форма, але при цьому вищі форми руху нерозривно пов‘язані з нижчими.

Рухові властивості людини, які вивчає біомеханіка, включають у себе механічні рухи. Саме вони представляють собою безпосередню ціль рухової дії людини, але здійснюються при визначальній участі більш високих форм руху. Тому біологічна механіка (біомеханіка) ширша і набагато складніша , ніж механіка неживих тіл, вона якісно відрізняється від механіки останніх.

1.2. Механічні рухи в живих системах

Механічні рухи в живих системах проявляються як:

- пересування всієї біосистеми відносно її оточення (середовища, опори, фізичних тіл)

- деформація самої біосистеми - пересування одних її частин відносно других.

Основні закони механіки Ньютона описують рухи абстрактних твердих тіл, які не деформуються. Таких тіл в природі не існує. Але в твердих тілах деформації настільки малі, що ними часто можна нехтувати.

В живих же системах суттєво міняється відносне розташування їх частин. Ці зміни і є рухами людини. При рухах завжди відбувається втрата енергії, її розсіювання.

Механічні рухи людини проходять під дією зовнішніх механічних сил (ваги, тертя і др.) ї сил тяги м‘язів. А останні керуються центральною нервовою системою (ЦНС) і, отже, обумовлене фізіологічними процесами. Саме вони визначають причини організації механічних сил.

1.3. Особливості механічних рухів людини.

Рухова діяльність людини здійснюється у вигляді рухових дій, які створені з багатьох взаємнозв‘язаних рухів (системи рухів)

Рухова д і я л ь н і с т ь людини як одне із самих складних явищ в природі особлива ще тим, що в ній бере участь с в і д о м і с т ь як продукт високоорганізованої матерії - мозку. Тому рухова діяльність людини суттєво відрізняється від діяльності тварин як усвідомлена цілеспрямована активність людини, що розуміє значення її, може контролювати і планомірно удосконалювати свої рухи. Отже людина здійснює не просто рухи, а завжди - д і ї.А дії людини завжди мають ц і л ь, певний з м і с т.

Р у х и окремих частин тіла об‘єднані в керуючі системи рухів, цілісні рухові акти (гімнастика). В систему рухів входить також і активне збере-ження положення окремих частин тіла (в суглобах), а також усього тіла. Кожний рух виконує свою роль в загальній дії, так чи інакше відповідає ц і л і д і ї.

Хоча причини рухів в біомеханіці і розгядаються з точки зору механіки і біології, їх закономірності треба брати у взаємозв‘язку, враховуючи роль людської свідомості в цілеспрямованім управлінні рухами. Саме взаємозв‘язок механічних і біологічних закономірностей дозволяє розкрити специфіку біомеханіки. Свідоме управління рухами з використанням цієї специфіки забезпечує їх високу ефективність в різних умовах виконання.

2. Розвиток біомеханіки.

2.1. И с т о р і я становлення біомеханіки.

З давніх часів увагу дослідників привертали до себе рухи тварин і людини. В 2-му віці н.е. Гален вивчав рухи людини головним чином на основі даних анатомії. Початок біомеханічних досліджень положено роботами Леонардо да Вінчі (Leonardo da Vinci, 1452-1519), який вивчав рухи людини, користуючись даними не тільки людини, а і механіки.

“Не забудь, що книга про “елементи машин” з її практичними відомостями повинна передувати доказам, що відносяться до руху і сили людини і других тварин; тоді на основі їх ти зможеш провірити любе твоє положення”.

Леонардо да Вінчі, 1492 р.(по Зубову, 1961, с.228

Подальшу конкретизацію біомеханіка находить в роботах італьянського вченого Бореллі (G.A.Borelli, 1607-1679). Він вперше визначив положення центру ваги тіла, урівноваживши досліджуваного на дошці з клином.

Бореллі належить також детальна класифікація рухів.

Експериментальне вивчення ходи людини було здійснене в роботах братів Вебер (E.і W.Weber,1836). Вони установили ряд фактів, що характеризують механіку ходи: співвідношення тривалості і довжини кроку, величину амплітуди вертикальних переміщень і змін функціональної довжини кінцівки при ході і ряд др..

Подальший розвиток біомеханіки тісно пов‘язаний із загальним прогресом техніки, появою нових засобів для вивчення рухів. Винахід моментальної фотографії, а згодом і кінематографії дали бурхливий розвиток в області біомеханіки. В цей період була здійснена серія досліджень в Німеччині (Anschutz), Франції (E.Marey) і Америці (Muybridge).

Велике значення для розвитку біомеханіки мала запропонована Мореєм методика хроноциклографії, так як кінематографічні дослідження при всій їхній наочності виявилися мало зручними і недостатньо точними для детального просторового и часового аналізу рухів.

Початок ХХ віку знаменується в біомеханіці роботами німецьких дослідників Брауне (Braune) і Фішера (Fischer), які удосконалили техніку реєстрації рухів і систему їх аналізу. Це послужило основою для використання біомеханіки стосовно до задач протезування, яке стало актуальним в період після закінчення війни.

Праці П.Ф.Лесгафта в області теоретичної анатомії лягли в основу для розвитку біомеханіки в Росії. Розробку матеріалів по анатомії опорно-рухового апарату Лесгафт вів з використанням даних порівняльної анатомії і механіки.

Суттєву роль в розвитку біомеханіки в Росії зіграла робота І.М.Сеченова “Нариси робочих рухів людини”, що утримувала довідку важливих біомеханічних характеристик рухів людини.

Великий розвиток дослідження по біомеханіці отримали після Вел.жовтневої соцреволюції. Створено ряд спеціальних ін-тів (Центр.ін-тут праці, Всесоюзний ін-т економіки, організації і оздоровлення праці, Центр. ін-т праці інвалідів) дало можливість організувати широкі дослідження в області біомеханіки. Вони носили спочатку прикладний характер і були направлені на раціоналізацію робочого місця, робочої пози, форми інструменту і ін. Ці дослідження базувались на удосконаленому Н.А.Бернштейном методі циклографії і циклограметрії. Тоді ж біомеханічні дослідження починають застосовуватись в дослідженнях виконавських дій музикантів, у вивчені рухомих порушень при захворюваннях нервової системи і ушкодженнях опорно-рухового апарату.

Отже, основними передумовами розвитку біомеханіки як науки були розвиток власне м е х а н і к и, розвиток м а т е м а т и ч н и х і б і о л о -г і ч н и х наук.

З 1924 року в Ленінградському ун-ті А.А.Ухтомський запровадив читання курсу по фізіології рухового апарату, куди був включений і розділ біомеханіки. В книзі “Фізіологія рухового апарату” Ухтомський виклав великий матеріал по біомеханіці м‘язів, суглобів і координації рухів.

Біомеханіку у якості вступного курсу в ортопедію читав в Ростовському мед. ін-ті Н.П.Парійський.

Детальні дослідження рухів людини розвернулись в ВІЕМ у відділі фізіології рухів. Тут під керівництвом Н.А.Бернштейна проведено біодинамічний аналіз ходи здорових людей, її еволюція у дітей і стариків. Велику кількість досліджень по біомеханіці виконано стосовно до задач фізичного виховання і спорту.

Серія робіт по біомеханіці зв’язана з вивченням порушення функцій опорно-рухового апарату у ортопедичних хворих і після ампутацій нижніх і верхніх кінцівок (Л.П.Ніколаєв). В цьому ж напрямку ведуть роботу і американські вчені (A.Steindler, H.Elftman).ё

При Академії наук СРСР була створена Наукова Рада по проблемам біомеханіки з секціями, що вивчали проблеми інженерної, медичної і спортивної біомеханіки.

Медична біомеханіка дає обґрунтування ряду методів протезування, протезобудування, травматології, ортопедії, лікувальної фізичної культури.

2.2. Направлення розвитку біомеханіки.

М е х а н і ч н и й напрям (Д.Бореллі; В.Браун, О.Фішер). Механічний підхід до вивчення рухів людини дозволяє визначити кількісну міру рухових процесів, розкрити будову і властивості опорно-рухового апарату (ОРА) , а також рухи людини. В цьому відношенні механічний напрям ніколи не втратить свого значення. Але чисто механічний підхід може створити підставу для необґрунтованих спрощень., недооцінки якісної специфіки живого, механістичного пояснення якісно високих явищ простими механічними факторами.

Ф у н к ц і о н а л ь н о – а н а т о м і ч н и й напрям (П.Ф.Лесгафт, І.М.Сєчєнов, М.Ф.Іваницький і др..) характеризується переважно описовим аналізом рухів в суглобах, виявом участі м‘язів в збереженні положення тіла і в його рухах. Зараз широко застосовується електроміографія, яка дозволяє виявляти час і степінь участі м‘язів в рухах, узгодження активності окремих м‘язів і їх груп.

Знання морфологічних особливостей біомеханічних систем забезпечує більш глибоке і правильне обґрунтування фізичної і технічної підготовки у фізичному вихованні.

Ф і з і о л о г і ч н и й напрям (І.М.Сєченов, І.П.Павлов, А. А. Ухтомський, П.К.Анохіна, Н.А.Бернштейн і др.) базується на ідеях нервізму - науки про вищу нервову діяльність, рефлектору природу рухових дій і ролі механізмів нервової регуляції при взаємодії організму і середовища.

Дослідження Н.А.Бернштейна дозволили йому установити , що керу-вання рухами відбувається за допомогою:

- пристосування імпульсів (команд) нервової системи по ходу руху до конкретних умов його виконання і

- усунення відхилень від завдань руху (корекції).

Нейрофізіологічна концепція Н.А.Бернштейна послужила основою формування сучасної теорії біомеханіки рухів людини.

С и с т е м н о – с т р у к т у р н и й підхід як методологічна основа вивчення рухів об‘єднує механічне, функціонально-анатомічне і фізіоло-гічне направлення в розвитку біомеханіки.

2.3. Метод біомеханіки

Метод біомеханіки в найбільш загальному вигляді має в своїй основі системний аналіз і системний синтез дій з використанням кількісних характеристик, а конкретно – моделювання рухів.

Біомеханіка, як наука експериментальна, спирається на дослідне вивчення рухів. При допомозі приладів регіструються кількісні особливості (характеристики) рухів, наприклад траєкторії швидкості, прискорення, які дають змогу розрізняти рухи, порівнювати їх між собою. Роздивляючи характеристики, уявно розділяють по певним правилам систему рухів на складові частини, і таким чином установлюють її склад. В цьому заключається с и с т е м н и й а н а л і з д і й.

Однак, система рухів як ціле не просто сума частин, що її утворюють. Частини системи об‘єднані багатьма зв‘язками, що придають її нові, не властиві її частинам властивості (системні властивості). Спосіб взаємозв‘зків частин в системі, закономірності їх взаємодії представляють її структуру. Вивчаючи з м і н и кількісних характеристик, виявляють,, як елементи впливають один на одного, визначають причини цілісності системи. В цьому проявляється с и с т е м н и й с и н т е з д і й.

Найбільш широко в сучасних біомеханічних дослідженнях застосовують ф у н к ц і о н а л ь н и й метод. з його допомогою вивчають функціональну залежність між властивостями і станом явищ; їх характеризують певні параметри, конкретні умови, кількісно визначений закон. Не варто протиставляти метод системно-структурний і функціональний. По суті справи, логічно спочатку розглядують функцію всієї системи в цілому, не вникаючи ще в її будову, а потім вивчають її внутрішні механізми.