Кинематическое описание положения тела человека

Введение

Биомеха́ника (греч. bios жизнь + греч. mechanike механика (наука о машинах)

1. Движение живого.

2. Раздел естественных наук, изучающий на основе моделей и методов механики механические свойства живых тканей, отдельных органов и систем, или организма в целом, а также происходящие в них механические явления.

Исторически для области науки, близкой к описанной, использовалось название ятромеханика (от греч. ιατρο — врач).

Биомеханические исследования охватывают различные уровни организации живой материи: биологические макромолекулы, клетки, ткани (биореология), органы, системы органов, а также целые организмы и их сообщества. Чаще всего, объектом исследования этой науки, является движение животных и человека, а также механические явления в тканях, органах и системах. Под механическим движением понимается движение всей биосистемы в целом, а также движение отдельных частей системы относительно друг друга — деформация системы. Все деформации в биосистемах, так или иначе, связаны с биологическими процессами, которые играют решающую роль в движениях животных и человека. Это сокращение мышцы, деформация сухожилия, кости, связок, фасций, движения в суставах.

Биомеханика человека — наука комплексная, она включает в себя самые разнообразные знания других наук, таких как: механика и математика, функциональная анатомия и физиология, возрастная анатомия и физиология, педагогика и теория физической культуры.

В последние годы число и уровень биомеханических исследований выросло чрезвычайно. Объясняется это, на наш взгляд, двумя обстоятельствами. Во-первых, совершенствованием исследовательских возможностей благодаря появлению ЭВМ новых поколений (большинство исследований по биомеханике основаны на применении ЭВМ). Во-вторых, возросшей заинтересованностью в биомеханических данных представителей многих смежных специальностей – специалистов по роботостроению и манипулятором, космической биологии и медицине, ортопедов и травматологов, нейрофизиологов и, конечно, работников спорта – тренеров, преподавателей, научных работников, врачей.

Общие понятия

Движения человека в значительной мере зависят от того, каково строение его тела, и каковы его свойства. Чрезвычайная сложность строения и многообразие свойств тела человека, с одной стороны, делают очень сложными сами движения и управление ими. Но, с другой стороны, они обусловливают необычайное богатство, разнообразие движений, до сих пор недоступное в целом ни одной самой совершенной машине.

Отвлекаясь от деталей анатомического строения - физиологических механизмов управления опорно-двигательным аппаратом, рассматривается упрощённая модель тела человека - биомеханическая система. Она обладает основными свойствами, существенными для выполнения опорно-двигательной функции.

Сточки зрения механики, опорно-двигательный аппарат человека представляет собой механизм, состоящий из сложной системы рычагов, приводимых в действие мышцами. Однако при изучении движений человека и причин, их вызывающих, было бы неправильно ограничиваться только представлениями механики. Необходимо иметь в виду биологическую природу "механизмов" человеческого тела. Анализ деятельности опорно-двигательного аппарата с биологической точки зрения позволяет вскрыть своеобразие устройства и принципа действий "живых механизмов".

2 Кинематическое описание положения тела человека

Описывать положение тела человека можно разными способами. Изложим один из наиболее удобных, разработанный В.Т. Назаровым (1974) и опирающийся на работы Г.В. Коренена (1964) по механике управляемого тела. Положение тела человека в пространстве описывается в этом случае это местом, ориентацией и позой.

Место тела характеризует, в какой части пространства находится в данный момент человек. Чтобы определить место тела, достаточно указать три координаты какой-либо точки тела в неподвижной системе координат. В качестве такой точки обычно удобно выбирать общий центр масс тела, связывая с ним начало другой, подвижной системы координат, оси которой ориентированы так же, как и оси неподвижной системы.

Ориентация тела характеризует его поворот относительно неподвижной системы координат. Поза тела характеризует взаимное расположение звеньев тела относительно друг друга.

Вспомним, как определяются основные плоскости и оси человеческого тела (рис. 1).

Основные плоскости тела ориентируются в системе трех взамино перпендикулярных осей: вертикальной и двух горизонтальных – поперечной и глубинной.

Вертикальная плоскость, проходящая через переднюю срединную и позвоночную линии, а также всякая плоскость, параллельная ей, называются сагиттальными. Они разделяют тело на правую и левую части.

Вертикальная плоскость, проходящая перпендикулярно к сагиттальной, а также всякая плоскость, параллельная ей, называются фронтальными. Они разделяют тело на переднюю и заднюю части.

Горизонтальные плоскости проходят перпендикулярно по отношению к этим двум плоскостям и называются трансверсальными (поперечными). Они разделяют тело на верхнюю и нижнюю части.

К сожалению, основные анатомические плоскости и оси малопригодны для описания многих движений человека. Проблема здесь состоит в том, что с телом надо каким-то образом связать системы координат так, чтобы изменение ориентации этой системы отражало изменение ориентации тела.

Кинематика движений в суставах

В анатомии для описания поз и движений в суставах используют термины: сгибание – разгибание, отведение – приведение, пронация – супинация и другие производные от названных. Эта терминология описательная. Она не основана на изучении особенностей движения в отдельных суставах поверхностей при сгибании в тазобедренном и коленном суставах совершенно различны и что особенно важно при биомеханическом анализе движений – не задает систему независимых углов Эйлера, определяющих положение в суставе. Поэтому при последовательном выполнении нескольких движение финальное положение конечности зависит от порядка их выполнения и может оказаться измененным, хотя соответствующее движение не выполнялось.

В основе системы человека лежит утверждение о том, что в суставах тела человека могут выполняться движения только двух типов – кручение (spining)и вращение (swinging).

Моделирование суставов идеальному шарнирами, предполагающее, что любое движение в суставе – это сферическое движение относительно неподвижного центра, упрощает реальную ситуацию. В действительности положение мгновенных осей вращения может меняться. Важность этого обстоятельства и, следовательно, возможность пренебрегать им зависит от изучаемых вопросов. В частности, смещение осей вращения не изменят существенно геометрию масс, но оказывает сильное влияние на плечи сил отдельных мышц.

Таким образом, биомеханическая система - это упрощенная копия, модель тела человека, на которой можно изучать закономерности движений.

Биомеханика человека — составная часть прикладных наук, изучающих движение человека

Движения частей тела человека представляют собою перемещения в пространстве и времени, которые выполняются во многих суставах одновременно и последовательно. Движения в суставах по своей форме и характеру очень разнообразны, они зависят от действия множества приложенных сил. Все движения закономерно объединены в целостные организованные действия, которыми человек управляет при помощи мышц. Учитывая сложность движений человека, в биомеханике исследуют и механическую, и биологическую их стороны, причем обязательно в тесной взаимосвязи.

Поскольку человек выполняет всегда осмысленные действия, его интересует, как можно достичь цели, насколько хорошо и легко это получается в данных условиях. Для того чтобы результат движения был лучше, и достичь его было бы легче, человек сознательно учитывает и использует условия, в которых осуществляется движение. Кроме того, он учится более совершенно выполнять движения. Биомеханика человека учитывает эти его способности, чем существенно отличается от биомеханики животных.

Таким образом, биомеханика опорно-двигательного аппарата человека изучает, какой способ и какие условия выполнения действий лучше и как овладеть ими. Общая задача изучения движений состоит в оценке эффективности приложения сил для достижения поставленной цели. Всякое изучение движений, в конечном счете, направлено на то, чтобы помочь лучше выполнять их. Прежде, чем приступить к разработке лучших способов действий, необходимо оценить уже существующие. Отсюда вытекает общая задача биомеханики, сводящаяся к оценке эффективности способов выполнения изучаемого движения. Биомеханика исследует, каким образом полученная механическая энергия движения и напряжения может приобрести рабочее применение. Рабочий эффект измеряется тем, как используется затраченная энергия. Для этого определяют, какие силы совершают полезную работу, каковы они по происхождению, когда и где приложены. То же самое должно быть известно о силах, которые производят вредную работу, снижающую эффективность полезных сил. Такое изучение дает возможность сделать выводы о том, как повысить эффективность действия. При решении общей задачи биомеханики возникают многочисленные частные задачи, не только предусматривающие непосредственную оценку эффективности, но и вытекающие из общей задачи и ей подчиненные.

Метод биомеханики — системный анализ и системный синтез движений на основе количественных характеристик, в частности кибернетическое моделирование движений. Биомеханика, как наука экспериментальная, эмпирическая, опирается на опытное изучение движений. При помощи приборов регистрируются количественные характеристики, например траектории скорости, ускорения и другие, позволяющие различать движения, сравнивать их между собой. Рассматривая характеристики, мысленно расчленяют систему движений на составные части — устанавливают ее состав. В этом — суть системного анализа.

Система движений как целое — не просто сумма ее составляющих частей. Части системы объединены многочисленными взаимосвязями, придающими ей новые, не содержащиеся в ее частях качества (системные свойства). Необходимо представлять это объединение, устанавливать способ взаимосвязи частей в системе — ее структуру. В этом — суть системного синтеза. Системный анализ и системный синтез неразрывно связаны друг с другом, они взаимно дополняются в системно-структурном исследовании.

При изучении движений в процессе развития системного анализа и синтеза в последние годы все шире применяется метод кибернетического моделирования — построение управляемых моделей (электронных, математических, физических и др.) движений и моделей тела человека.

Методы исследования в биомеханике опорно-двигательного аппарата

В настоящее время биомеханика опорно-двигательного аппарата обладает значительным арсеналом методов исследования локомоторной функции, как в статике, так и в динамике, причем изучается не только внешняя картина движения, но и механизмы управления, жизнеобеспечение организма, что дает возможность выявить целый комплекс параметров, характеризующих опорно-двигательный образ. В это понятие включаются не только внешние (механические) проявления движения и реакций окружающей среды, но и условия организации управления движениями, согласованная деятельность всех органов и систем организма. Получаемая в результате биомеханических исследований информация служит основой для определения нормы, позволяет количественно определить степень нарушения локомоторной функции при различных патологических состояниях. Биомеханические исследования достаточно широко используются не только в клинической медицине (функциональная диагностика, ортопедия, травматология, протезирование), но и в спорте, и при разработке различных антропоморфных механизмов (роботы, манипуляторы), и при решении других прикладных задач. Методическая база биомеханических исследований постоянно совершенствуется, используя новейшие достижения науки.

Методы исследования, получившие наибольшее распространение в настоящее время, в клинической биомеханике могут быть классифицированы следующим образом:

I. Соматометричские: антропометрия, фотограмметрия, рентгенография.

II. Кинезиологические: оптические, потенциометрия, электроподография, тензометрия, ихнография.

III. Клинико-физиологические: калориметрия, электромиография, электроэнцефалография и другие методы функциональной диагностики.

Заключение

Таким образом, биомеханика опорно-двигательного аппарата человека изучает, какой способ и какие условия выполнения действий лучше и как овладеть ими. Общая задача изучения движений состоит в оценке эффективности приложения сил для достижения поставленной цели. Всякое изучение движений, в конечном счете, направлено на то, чтобы помочь лучше выполнять их. Ежедневно мы сталкиваемся с многочисленными ситуациями, когда необходимо придать телу правильную позу, а суставам и мышцам соответствующее положение, в котором они могли бы наилучшим образом растягиваться и выполнять необходимую работу. Некоторые привычки, например положение во время сна или телефонного разговора, заслуживают особого внимания и изучения как возможные источники появления и усугубления головной боли и боли в шее у отдельных пациентов при наличии у них миофасциальных триггерных точек в мышцах головы и шеи.

Литература

Биомеханика двигательного аппарата человека/Зациорский В.М., Аруин А.С., Селуяиов В.Н. – М.: Физкультура и спорт, 1981. – 143 с., ил. – (Наука - спорту).

В. Левин. Человек, разгадавший тайну живого движения. «Наука и жизнь» № 10, 2005

Клиническая биомеханика/Под ред. В. И. Филатова. — Л.: Медицина, 1980.— 200 с.

Коренев Г.В. Введение в механику человека. М., «Наука», 1977.

Н. А. Бернштейн. Физиология движений и активность. М.: Наука, 1990. С. 373—392.

Статья «биомеханика» в большой советской энциклопедии.

http://flogiston.ru/library/bernstein