Биомеханика движения человека

     
        Энергия - это запас работоспособности системы. Кинетическая энергия механического движения тела определяет возможность совершения работы. 

    Потенциальная энергия тела - это энергия его положения, обусловленная взаимным расположением тел или частей тела; это энергия состояния тела, обусловленная внутренним напряжением мышц, температурой тела и др. 

 
где g - ускорение свободно падающего тела, h - высота центра масс тела над поверхностью земли, С - модуль упругости, ∆l - упругая деформация тела.

    Экономичность двигательного аппарата человека характеризуется  рядом показателей, в том числе  коэффициентом механической эффективности: 

где Е - количество метаболической энергии, N - скорость ее расходования, А - энергетическая стоимость метра пути или единицы  полезной работы.

    Биомеханические характеристики являются одним из основных вопросов биомеханики. Без их усвоения нельзя рассчитывать на успех в изучении и практическом применении биомеханики. 

2.2.Биомеханическая характеристика выносливости

    Выносливость - это способность человека выполнять какую-либо работу с сохранением её качества, а так же преодолевать утомление и эффективно действовать при этом.

    Если  человек длительное время выполняет  какое-то двигательное задание, то его  движения можно классифицировать:

- по  интенсивности (скорость, сила и  т.д.);

- по  объему (метры, работа и т.д.);

- по  времени выполнения (секунда).

Эти показатели относят к эргометрическим.

    Взаимосвязь этих показателей отображает так  называемое правило обратимости  двигательных заданий.

Выделяют 3 способа определение выносливости:

I способ.

- задается  время выполнения работы: ;

- измеряется  объем работы (расстояние): ;

- определяется  скорость выполнения: ;

II способ.

- объем  работы постоянен: ;

- измеряется  время выполнения: ;

- определяется  скорость выполнения движения: ;

III способ.

- скорость  выполнения постоянная: ;

- измеряется  время выполнения: ;

- определяется  объем работы: ; 

2.2.1 Утомление и его  биомеханическое  проявление

 
       Для оценки выносливости используют термин утомление, что означает временное снижение работоспособности. Различают умственное, эмоциональное и физическое утомление. Биомеханика рассматривает только физическое утомление.

    При мышечной работе утомление проходит через 2 фазы:

1. Фаза  компенсированного утомление - когда  человек сохраняет интенсивность движения на прежнем уровне (например, скорость бега).

2. Фаза  декомпенсированного утомления  - когда, несмотря на все старания, человек не может сохранить необходимую интенсивность (например, турист, отставший от группы).

    Утомление проявляется как в субъективных ощущениях, так и в объективных  физиологических и биомеханических  сдвигах - уменьшение систалического давления, сдвиг PH крови в кислотную сторону.

    В фазе компенсированного утомления  скорость передвижения не снижается, а  изменяется только техника движения. Наиболее часто уменьшается длина  шагов, которая компенсируется возрастанием частоты. Особенно наглядно это проявляется  в плавании за механическим лидером.

 
2.2.2 Факторы, характеризующие выносливость

Из априорной  оценки следует, что на выносливость влияет: 

 

    Из  физиологии и биомеханики известно, что энергетический потенциал организма  можно составить из следующих  составляющих:

МПК Окислительная  энергетическая система (максимальное потребление кислорода)

F₀ - Фосфогенная энергетическая система (емкость)

L₀ - Лактацидная энергетическая система (емкость)

Следовательно, энергетический потенциал (метаболический) организма можно представить  суммой его энергетических систем:

Отсюда  можно вывести понятие коэффициента механической эффективности, он равен: 
 

2.2.3. количественная оценка экономичности двигательной деятельности

     
        Рассмотрим экономичность совместно с метаболической и механической сторон. Для количественной оценки удобна следующая формула: 

Где КС – кислородная стоимость метра  пути; 

V₀₂ – потребление кислорода;

V – средняя скорость передвижения.

    Методика  количественной оценки экономичности  двигательной деятельности существенно  упрощается, если оценивать энергетическую стоимость передвижения по частоте  сердечных сокращений (ЧСС), тогда  определяется пульсовая стоимость  метра пути, т.к. ЧСС тесно коррелирует  с потреблением кислорода. 

Применяют также оценку в виде "рабочего пульса" 

где V - средняя скорость передвижения.

 
2.2.4. Способ измерения выносливости

     
       Выносливостью называется способность противостоять утомлению. Основной мерой выносливости является удержание заданной интенсивности движения. Например, на велоэргометре выставляется нагрузка 2000 гкм, и предлагается педалировать со скоростью 60 км/ч. Время удержания такой нагрузки с такой скоростью и будет определять выносливость спортсмена.

    Другой  пример: отжимают штангу весом 50 кг до отказа. Более вынослив тот, кто большее  число раз поднимет штангу. Это  абсолютная (явная) выносливость. Если учесть, что максимальная сила Fmax спортсменов  различна, например, у одних 40 кг, у  других 100 кг, то предлагают выжимать штангу, равную половине максимальной силы, т.е. 20 и 50 кг. Количество отжатий даст в  этом случае относительную (латентную) выносливость. Латентная выносливость определяется: 

    1. Коэффициентом выносливости - отношение  времени преодоления всей дистанции  (400 - 48с) ко времени преодоления  короткого отрезка. Тогда коэффициент  выносливости определяют: КВ = tg / tдэт  = 48 /11 = 4,36.

     
        2. Запас скорости - разность между средним временем преодоления эталонного короткого отрезка (например, 100м) и лучшим временем на этом отрезке (400м) ЗС = tg / n - tэт = 48 / 4 - 11 = 1с, где n = 400м / 100м = 4. Чем меньше запас скорости, тем выше выносливость. С ростом мастерства запас скорости уменьшается. Например, у сильных бегунов на 400м он равен 1с, а у начинающих -3c.

2.3. Двигательный аппарат  человека как биомеханическая  система

 
2.3.1. Соединение  звеньев тела

     
       Опорно-двигательный аппарат состоит из органов опоры и движения. Твердую основу двигательного аппарата составляет его костный осевой скелет. Все кости соединяются в скелет посредством суставов. Мышцы, прикрепляющиеся к костям, обуславливают движения человека.

    Таким образом, подвижно соединенные кости  скелета под действием мышц обеспечивают двигательную функцию. Такая упрощенная модель тела человека называется биомеханической системой. На ней удобно изучать закономерности движения. Два костных звена, соединенные суставом, образуют биокинематическую пару . В скелете человека больше всего вращательных пар (т.е. шарнирных соединений). Винтовая пара (т.е. вращение с поступательным перемещением) имеется только в голеностопном суставе. И совсем нет поступательных пар. Несколько биокинематических пар, соединенных последовательно, образуют биокинематическую цепь.                     

    Различают замкнутые и незамкнутые биокинематические  цепи. Незамкнутая - имеет свободное (конечное) звено. Здесь возможны изолированные  движения в отдельно взятом звене. В  замкнутых - нет свободного конечного  звена. Здесь изолированные движения в одном звене не возможны, т.к. в движение неизбежно вовлекаются  и другие соединения. Незамкнутая  связь может перейти в замкнутую, если звено получит связь с  другим звеном посредством опоры  или захвата.

 
2.3.2. Степени свободы  в биокинематических  цепях 

    Количеством степеней свободы тела называется количество независимых координат, которые  определяют перемещение тела в пространстве.

    Тело  может передвигаться относительно трех взаимно-перпендикулярных осей поступательно  и совершать вокруг них вращательные движения. Если закрепить свободное  тело в одной точке, то у него останется 3 степени свободы, т.к. оно может  вращаться вокруг трех осей. Если закрепить еще одну точку, то тело будет иметь только одну степень свободы - вращение вокруг оси. Если закрепить еще одну точку, то тело будет закреплено неподвижно и совсем не будет иметь степеней свободы.

    В теле человека закрепление части  тела в одной точке имеет шаровидный сустав. Так в плечевом суставе  звено может только вращаться  вокруг трех осей. В открытых (разомкнутых) биокинематических цепях степени  свободы суммируются. Так, у бедра, относительно таза 3 степени свободы, у голени относительно бедра - 2 степени, значит у голени относительно таза уже 5 степеней свободы. Поэтому возможности  комбинаций всех траекторий движения во всех суставах больше.

    В спортивной практике ограничивают число  степеней свободы для рационального  движения и экономии движения. Так, например, лодка на гладкой поверхности  имеет 3 степени свободы: перемещение  по осям Х,У и поворот на угол α . При крене добавляется четвертая  степень свободы (угол j ). К четырем  степеням свободы добавляются перемещения  в коленном суставе, тазобедренном, плечевом, локтевом, лучезапястном, перемещение  банки и 3 степени свободы у  весла. Всего 13 степеней свободы. Это  минимальное число степеней свободы. Максимальное - значительно больше.

    Для экономии энергии нужно уменьшать  число степеней свободы. Для уменьшения числа степеней свободы надо выполнять  только те движения, которые вызовут  прямолинейные поступательные движения лодки вдоль дистанции.

 
2.3.3. Звенья тела  как рычаги и  маятники 

    Кости, соединенные подвижно в суставах, представляют собой, с точки зрения механики, рычаги. Сустав представляет собой точку опоры рычага. Если силы приложены по обе стороны  от точки опоры рычага, то рычаг  называется двухплечным или рычагом I рода, если по одну сторону, то II рода.

Рычаг имеет следующие элементы: