Связи биомеханики с другими науками

Биомеханика как раздел биофизики зародилась в связи с развитием физических и биологических наук. В настоящее время успехи этих наук так или иначе сказываются на развитии биомеханики. В свою очередь, физические и биологические науки могут обогащаться данными биомеханики о физике живого. Изучение биомеханических систем открывает новые пути для понимания анатомического строения и физиологических функций двигательного аппарата. В биомеханиче­ских исследованиях могут применяться методы смежных наук; в то же время специальные исследования проблем этих наук могут проводиться с применением биомеханических методов. Здесь налицо дву­сторонняя связь, обеспечивающая взаимное обогащение теории и ме­тодов исследования.

Несколько иная взаимосвязь биомеханики с отраслями знания, в которых изучают конкретные области двигательной деятельности: с теорией физического воспитания, клинической медициной, косми­ческой и авиационной биологией, физиологией труда и др. В этих отраслях знания используются теоретические выводы и практические результаты биомеханических исследований. Кроме того, в ходе разви­тия этих отраслей выдвигаются проблемы, требующие исследований с применением биомеханических методов, с использованием понятий, законов биомеханики.

Тема 2.РАЗВИТИЕ БИОМЕХАНИКИ КАК НАУКИ

1.История развития биомеханики 2.Предпосылки возникновения биомеханики 3. Становление теории биомеханики 4. Современный этап развития биомеханики

1.ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ БИОМЕХАНИКИ

Биомеханика — одна из самых старых ветвей биологии. Ее исто­ками были работы Аристотеля и Галена, посвященные анализу дви­жений животных и человека. Но только благодаря работам одного из самых блистательных людей эпохи Возрождения — Леонардо да Винчи (1452—1519) — биомеханика сделала свой следующий шаг. Леонардо особенно интересовался строением человеческого тела (анатомией) в связи с движением. Он описал механику тела при пе­реходе из положения сидя к положению стоя, при ходьбе вверх и вниз, при прыжках и, по-видимому, впервые дал описание походок.

Р. Декарт (1596—1650) создал основу рефлекторной теории, показав, что причиной движений может быть конкретный фактор внешней среды, воздействующий на органы чувств. Этим объяс­нялось происхождение непроизвольных движений.

В дальнейшем большое влияние на развитие биомеханики ока­зал итальянец Д. Борелли (1608—1679) — врач, математик, фи­зик. В своей книге «О движении животных» по сути он положил начало биомеханике как отрасли науки. Он рассматривал организм человека как машину и стремился объяснить дыхание, движение крови и работу мышц с позиций механики.

Первые шаги в подробном изучении биомеханики движений были сделаны лишь в конце XIX столетия немецкими учеными Брауном и Фишером (V. Braune, О. Fischer), которые разработали совершенную методику регистрации движений, детально изучили динамическую сторону перемещений конечностей и общего цент­ра тяжести (ОЦТ) человека при нормальной ходьбе.

К.Х. Кекчеев (1923) изучал биомеханику патологических похо­док, используя методику Брауна и Фишера.

П.Ф. Лесгафтом (1837—1909) создана биомеханика физиче­ских упражнений, разработанная на основе динамической анато­мии. В 1877 г. П.Ф. Лесгафт начал читать лекции по этому предмету на курсах по физическому воспитанию. В Институте физического образования им. П.Ф. Лесгафта этот курс входил в предмет «фи­зическое образование», а в 1927 г. был выделен в самостоятель­ный предмет под названием «теория движения» ив 1931 г. пере­именован в курс «Биомеханика физических упражнений».

Большой вклад в познание взаимодействия уровней регуляции движений внес Н.А. Бернштейн(1880— 1968). Им дано теоретиче­ское обоснование процессов управления движениями с позиций общей теории больших систем. Исследования Н.А. Бернштейна позволили установить чрезвычайно важный принцип управления движениями, общепризнанный в настоящее время. Нейрофизиологические концепции Н.А. Бернштейна послужили основой форми­рования современной теории биомеханики движений человека.

Идеи Н.М. Сеченова о рефлекторной природе управления движе­ниями путем использования чувствительных сигналов, получили раз­витие в теории Н.А. Бернштейна о кольцевом характере процессов управления.

В.С. Гурфинкель и др. (1965) клинически подтвердили это направ­ление, выявили принцип синергии в организации работы скелетной мускулатуры при регуляции вертикальной позы, а Ф.А. Северин и др. (1967) получили данные о спинальных генераторах (мотонейро­нах) локомоторных движений. R. Granit (1955) с позиции нейрофи­зиологии дал анализ механизмов регуляции движений.

R. Granit (1973) отметил, что организация ответов на выходе в конечном счете определяется механическими свойствами дви­гательных (моторных) единиц (ДЕ) и специфической иерархией процессов активации — включением медленных или быстрых ДЕ, тонических или фазических мотонейронов, альфа-моторного или альфа-гамма-контроля.

Большой вклад в биомеханику спорта внесли R.G. Osterhoud (1968); Т. Duck (1970), R.M. Brown; J.E. Counsilman (1971); S. PIa-genhoef(1971); C.W. Buchan (1971); Dal Monte et. al. (1973); M. Saito et al. (1974) и многие другие.

У нас в стране изучение координации движений человека ве­дется с двадцатых годов XX столетия. Проводились исследования всей биомеханической картины координационной структуры про­извольных движений человека с целью установления общих зако­номерностей, определяющих как центральную регуляцию, так и деятельность мышечной периферии в этом важнейшем жиз­ненном процессе. С тридцатых годов XX века в институтах физ­культуры в Москве (Н.А. Бернштейн), в Ленинграде (Е.А. Котикова, Е.Г. Котельникова), в Тбилиси (Л.В. Чхаидзе), в Харькове (Д.Д. Донской) и других городах стала развиваться научная работа по биомеханике. В 1939 г. вышло учебное пособие Е.А. Котиковой «Био­механика физических упражнений» и в последующие годы в учебни­ки и учебные пособия стал входить раздел «Биомеханическое обос­нование спортивной техники по различным видам спорта».

Из биологических наук в биомеханике более других использо­вались научные данные по анатомии и физиологии. В последующие годы большое влияние на становление и развитие биомеханики как науки оказали динамическая анатомия, физика и физиология, осо­бенно учение о нервизме И.П. Павлова и о функциональных сис­темах П.К. Анохина.

Большой вклад в изучение физиологии двигательного аппарата внес Н.Е. Введенский (1852—1922). Им выполнены исследования процессов возбуждения и торможения в нервной и мышечной тка­нях. Его работы о физиологической лабильности живых тканей и возбудимых систем, о парабиозе имеют огромное значение для современной физиологии спорта. Большую ценность представля­ют также его работы о координации движений.

По определению А.А. Ухтомского (1875—1942), биомеханика ис­следует «каким образом полученная механическая энергия движения и напряжения может приобрести рабочее применение». Им показа­но, что сила мышц при прочих равных условиях зависит от поперечно­го сечения. Чем больше поперечное сечение мышцы, тем больше она в состоянии поднять груз. А.А. Ухтомский открыл важнейшее физио­логическое явление — доминанту в деятельности нервных центров, в частности, при двигательных актах. Большое место его работах отведено вопросам физиологии двигательного аппарата.

Вопросы физиологии спорта разрабатывал А.Н. Крестовников (1885—1955). Они были связаны с выяснением механизма мышеч­ной деятельности, в частности, координации движений, формиро­вания двигательных условных рефлексов, этиологии утомления при физической деятельности и другими физиологическими функ­циями при выполнении физических упражнений.

М.Ф. Иваницкий (1895—1969) разработал функциональную (динамическую) анатомию применительно к задачам физкульту­ры и спорта, т. е. определил связь анатомии с физкультурой.

Успехи современной физиологии, и, в первую очередь, труды ака­демика П. К. Анохина дали возможность с позиции функциональных систем по-новому взглянуть на биомеханику движений.

Все это дало возможность обобщить физиологические данные с биомеханическими исследованиями и подойти к решению важ­ных вопросов биомеханики движений в современном спорте, спор­те высших достижений.

В середине XX века ученые создали протез руки, управляемый электрическими сигналами, поступающими из нервной системы. В 1957 г. у нас в стране была сконструирована модель руки (кисти), которая выполняла биоэлектрические команды типа «сжать—разжать», а в 1964 г. создан протез с обратной связью, т. е. протез, от которого непрерывно поступает в ЦНС информация о силе сжа­тия или разжатия кисти, о направлении движения руки и тому по­добных признаках.

Американские специалисты (E.W. Schrader и др., 1964) созда­ли протез ноги, ампутированной выше колена. Была изготовлена гидравлическая модель коленного сустава, позволяющая добиться естественной ходьбы. Конструкция предусматривает нормальную высоту подъема пятки и вытягивание ноги при ее отводе независи­мо от скорости ходьбы.

Бурное развитие спорта в СССР послужило основанием разви­тия биомеханики спорта. С 1958 г. во всех институтах физической культуры биомеханика стала обязательной учебной дисциплиной, создавались кафедры биомеханики, разрабатывались программы, издавались учебные пособия, учебники, проводились научно-ме­тодические конференции, готовились специалисты.

Как учебный предмет биомеханика выполняет несколько ролей. Во-первых, с ее помощью студент вводится в круг важнейших физи­ко-математических понятий, которые необходимы для расчетов ско­рости, углов отталкивания, массы тела, расположения ОЦТ и его роли в технике выполнения спортивных движений. Во-вторых, эта дисци­плина имеет самостоятельное применение в спортивной практике, потому что представленная в ней система двигательной деятельно­сти с учетом возраста, пола, массы тела, телосложения позволяет выработать рекомендации для работы тренера, учителя физкульту­ры, методиста лечебной физкультуры и др.

Биомеханические исследования позволили создать новый тип обуви, спортивного инвентаря, оборудования и техники управ­ления ими (велосипеды, горные и прыжковые лыжи, гоночные лыжи, лодки для гребли и многое другое).

Изучение гидродинамических характеристик рыб и дельфинов дало возможность создать специальные костюмы для пловцов, изменить технику плавания, что способствовало повышению скорости плавания.

Биомеханику преподают в высших физкультурных учебных заведе­ниях во многих странах мира. Создано международное общество био­механиков, проводятся конференции, симпозиумы, конгрессы по био­механике. При Президиуме Российской академии наук создан научный Совет по проблемам биомеханики с секциями, охватывающими про­блемы инженерной, медицинской и спортивной биомеханики.