Доклад биомеханика как учебная и научная дисциплина
Обновлено: 16.05.2024
Основы учебной дисциплины наиболее полно раскрываются в пред мете и методе соответствующей науки.
Любая наука имеет свой предмет исследования. Предметнауки рас крывает:
∙ Что именно изучается (объект познания).
∙ Какую сторону действительности наука изучает (область позна ния).
∙ С какой целью изучается.
1.1. Общая характеристика биомеханики
как учебной и научной дисциплины
Метод науки показывает основной способ исследования, путь познания закономерностей исследуемых явлений, получения новых знаний. Биомеханика – наука о законах механического движения в живых системах.
В биомеханике, как науке, можно выделить следующие прикладные направления исследования:
1. Биомеханика физических упражнений.
2. Инженерная биомеханика.
3. Медицинская биомеханика.
Биомеханика физических упражнений ориентирована на поиск рациональной техники физических и соревновательных упражнений, на совершенствование их кинематической и динамической структуры, на научное обоснование эффективной методики обучения двигательным действиям.
Медицинская биомеханика дает обоснование методам протезирования, протезостроения, травматологии, ортопедии, лечебной физической культуры.
Объект познания биомеханики
Объект познания биомеханики – двигательные действия как системы взаимно связанных активных движений и положений тела человека. Как наука биомеханика изучает не только движения человека, но и движения животных. Однако двигательные действия человека существенно отличаются от движений животных:
− осознанная целенаправленность движений человека;
− возможность контролировать движения и планомерно совершенствовать двигательные действия.
Учебный курс биомеханики направлен на изучение движений только человека, которые совершаются на высшем уровне управления ими. Именно эти особенности движений человека не имеют объяснения ни со стороны классической механики, ни со стороны биологических наук.
И здесь следует отметить, что активные движения изучаются как системы движений в двигательных действиях человека.
Область изучения биомеханики
Область изучения биомеханики – механические и биологические причины возникновения движений и особенности построения и выполнения движений в различных условиях.
Причины возникновения движений человека и причины их изменения необходимо рассматривать как с позиций механики, так и с точки зрения биологии, учитывая роль человеческого сознания в управлении движения ми.
Механическое движение в живых системах, в частности, в движениях человека проявляется:
− в передвижении биосистемы относительно внешней среды; − в деформации самой биосистемы – перемещение одних ее частей относительно других.
Движения абсолютно твердых тел, которые не деформируются, опи сываются основными законами Ньютона. В живых же системах работа внешних сил (тяжести, трения, сопротивления внешней среды и др.), а так же внутренних сил (тяги мышц) расходуется и на деформацию опорно двигательного аппарата.
Действие внутренних сил обусловлено управлением со стороны цен тральной нервной системы. Поэтому, для корректного описания законо мерностей движений человека, недостаточно ограничиться изучением непосредственно механики движения, но и необходимо рассматривать биологическую сущность организации действия внутренних сил в иссле дуемом двигательном действии. Именно управление движениями с помо щью внутренних сил обеспечивает высокую эффективность двигательных действий в различных условиях исполнения.
Целевая направленность биомеханики
Цель изучения биомеханических закономерностей двигательных дей ствий человека заключается:
− оценка эффективности действия приложенных сил для более со вершенного решения двигательной задачи;
− выявление возможностей и путей совершенствования техники со ревновательных упражнений;
− научное обосновании рациональной методики обучения двигатель ным действиям на основе биомеханического анализа техники реально ис полняемых и синтезированных на ПЭВМ упражнений.
Цель изучения учебного курса биомеханики на факультете физиче ского воспитания:
− ознакомить студентов с общими основами биомеханики как науки о движениях человека;
− дать необходимые сведения по биомеханическому обоснованию использования физических упражнений в физическом воспитании; − вооружить знаниями, необходимыми для эффективного применения физических упражнений в качестве средства физического воспитания, по вышения технического мастерства спортсменов и уровня спортивных до стижений.
Системно-структурный подход исследования в биомеханике
Биомеханика, как наука о движениях человека, основывается на си стемно-структурном подходе изучения и понимания двигательных дей ствий. Системно-структурный подход исследования позволяет:
1. Рассматривать тело человека как движущуюся систему. 2. Рассматривать процесс движения как развивающуюся систему. В теории структурности движений заложены следующие основные принципы:
1) принцип структурности построения систем движений – все дви жения в системе взаимосвязаны, что определяет целостность и совершен ство действия;
2) принцип целостности действия – все движения в двигательном действии образуют единое целое. Изменения в одном движении, так или, иначе, влияют на всю систему;
3) принцип иерархичности – отдельные структуры являются состав ными частями более крупных структур;
4) принцип сознательной целенаправленности систем движений – человек сознательно ставит цель двигательного действия, применяет целе-
сообразные движения и управляет ими для эффективного достижения по ставленной цели.
1.2. Формы движения материи.
Естественные и целенаправленные движения
Рассматривая биомеханику как науку, изучающую закономерности механического движения живых систем, целесообразно рассмотреть ос новные понятия о движении вообще и особенности движений человека, в частности.
Движение – одна из форм существования материи и оно так же мно гообразно, как многообразен мир.
Как известно, Ф. Энгельс различал:
1) простые формы движения материи;
2) сложные, высшие формы движения материи.
Простые формы движения материи
Простые формы движения материи включают в себя следующие: − механическое движение;
Рассматриваемые формы движения материи проявляются как в живой, так и в неживой природе.
Механическое движение проявляется в перемещении объектов в про странстве и во времени. Физическое движение – изменение физических свойств материи. Например, изменение температуры, электрического со противления, объема, плотности, состояния и т.п. Химическое движение обусловлено происходящими в материи химическими реакциями.
Сложные формы движения материи
К сложным, высшим формам движения материи относятся: − биологическая;
Биологическая форма движения материи характеризует развитие жи вых систем в онтогенезе и в филогенезе, в частности, человека и животно го мира. Социальная форма движения материи (общественные отношения, мышление) присуща только человеку.
Каждая сложная форма движения материи всегда включает в себя бо лее простые формы. Простейшая форма движения материи – механиче ская, – существует везде. Чем выше форма, тем менее значима механиче ская форма движения материи.
Двигательные действия человека, изучаемые биомеханикой, включа ют в себя механическое движение. Конечный результат движения – цель двигательного действия (переместить снаряд, партнера, переместиться самому и т.п.). Но механическое движение человека включает в себя более высокие формы движения. Поэтому биологическая механика (биомехани ка) шире и намного сложнее, чем механика неживых систем.
терии, в сфере общественных отношений.
Естественные и целенаправленные движения
Если движущийся объект не вырабатывает управляющих воздей ствий для достижения цели движения, то такое движение является есте ственным. Примером естественных движений являются движения планет в солнечной системе, полет спортивных снарядов (копье, диск, молот, яд ро) и т.п.
Если со стороны движущегося объекта вырабатываются управляю щие силы для изменения траектории движения и достижения цели, то такое движение трактуется как целенаправленное.
Движения человека, как самоуправляемой биомеханической системы, относятся к подклассу целенаправленных движений. Для достижения цели движения человек вырабатывает управляющие воздействия (сила тяги мышц), изменяя и формируя тем самым траекторию движения.
В понятии о целенаправленных движениях присутствует философская категория: цель движения. Цель движения можно сформулировать различ ным образом:
− в содержательно-смысловой форме;
− в математической форме.
Содержательно-смысловая постановка цели движения и двигательной задачи
Содержательно-смысловая формулировка цели движения предполага ет описание того движения, которое необходимо выполнить и его конеч ный результат. Например: сделать выпад правой вправо, выполнить пры жок в длину с места толчком двумя, выполнить прыжок вверх толчком ле вой и т.п.
Иначе говоря, конечный результат двигательного действия содержит в себе цель движения. Цель движения характеризует качество выполне ния двигательного задания. Например:
1. Выполнить прыжок в длину с места толчком двумя как можно дальше.
2. Выполнить прыжок вверх с места толчком двумя как можно выше. 3. Пробежать 100 метров как можно быстрее.
4. Проплыть 100 метров за минимально возможное время. В этих примерах качественная картина движений описывается терми нами: дальше, выше, быстрее и т.п. В математической теории оптимизации динамических систем качество исследуемого процесса представлено функ ционалом, заданным в виде математической конструкции определенного вида. Поэтому, можно сказать, что если цель движения задана в математи ческих терминах, то цель движения есть функционал двигательного дей ствия.
Двигательная задача, в отличие от цели движения, может ставиться для отдельных фаз упражнения и для всего упражнения в целом и указы вать или математически описывать те явления, которые должны произойти или не произойти в процессе выполнения двигательного действия. Напри мер, при выполнении большого оборота назад на перекладине формулиру ется цель движения: в момент прохождения общим центром масс (ОЦМ) тела спортсмена вертикального положения над опорой достичь макси мальной линейной скорости ОЦМ. Двигательная задача для рассматрива емого гимнастического упражнения ставится следующим образом:
1. До момента прохождения ОЦМ исполнителя вертикального поло жения под опорой звенья тела спортсмена должны быть расположены на одной прямой.
2. После прохождения ОЦМ исполнителя вертикального положения под опорой выполнить сгибательные движения в суставах таким образом, чтобы:
− сгибание начиналось с дистальных суставов;
− амплитуда сгибательных движений в плечевых суставах не превы шала 30 0 ;
− амплитуда сгибательных движений в тазобедренных суставах не превышала 45 0 ;
− в вертикальном положении над опорой звенья тела спортсмена должны быть расположены на одной прямой.
Таким образом, двигательная задача, представленная в рассматривае мом примере пунктами 1–2, регламентирует технику большого оборота назад на перекладине и указывает на то, что должно произойти или не произойти в процессе выполнения упражнения. По сути дела здесь накла дываются определенные ограничения на кинематику движения.
Математическое представление цели движения
и двигательной задачи (формализация)
Содержательно-смысловую формулировку цели движения и двига тельной задачи всегда можно формализовать (дать математическое пред ставление), в частности, представив их в виде биомеханических характери-
стик в математической форме. Например, выразить биомеханические ха рактеристики движения математическими символами:
− длина прыжка – S.
− высота прыжка – H.
− скорость бега – V.
− время бега – T.
Формализовать качество решения двигательной задачи можно с по мощью экстремальных параметров биомеханических характеристик: ми нимум (min), максимум (max) функции. Например, для вышерассмотрен ных примеров формализованная запись качества (F) решения двигательной
задачи имеет вид:
− Максимальная длина прыжка – F = S (max).
− Максимальная высота прыжка – F = H (max).
− Максимальная скорость бега – F = V (max).
− Минимальное время бега – F = T (min).
Возможность формализации цели движения и качества решения дви гательной задачи позволяет использовать средства компьютерной техники для построения оптимальной (самой наилучшей) техники соревнователь ных упражнений в вычислительном эксперименте на ПЭВМ.
1.3. Общая задача и частные задачи биомеханики
В биомеханике выделяют две группы задач, решение которых опреде ляет ее содержание – теорию и метод:
− общая задача биомеханики;
− частные задачи биомеханики.
Общая задача охватывает всю область теории биомеханики в целом; частные же задачи важны при изучении конкретных вопросов исследуе мых явлений.
Общая задача биомеханики
Общая задача изучения движений человека состоит в оценке эффек тивности действия внешних и внутренних сил для более совершенного до-
стижения цели движения. Технология решения общей задачи биомехани ки включает в себя три этапа:
1. Определить все силы, действующие на тело спортсмена в процессе выполнения двигательного действия.
2. Выделить силы:
− которые оказывают положительное воздействие на достижение це ли движения и эффективное решение двигательной задачи; − которые оказывают отрицательное воздействие на достижение це ли движения и эффективное решение двигательной задачи. 3. Сконструировать такую технику изучаемого упражнения, при кото рой действие сил, оказывающих положительное воздействие на формиро вание рациональной структуры движения, будет максимальным, а дей ствие тех сил, которые оказывают отрицательное воздействие – мини мальным.
Рассмотрим следующий пример. Допустим, спортсмен выполняет большой оборот назад на перекладине (рис.1.1). Ставится цель движения: в момент прохождения вертикального положения над опорой приобрести максимально возможную скорость звеньев тела.
Рис. 1.1. Большой оборот назад на перекладине
В первой половине оборота (I), на тело спортсмена оказывают дей ствие силы: сила тяжести (Р), момент силы трения кистей рук гимнаста о гриф перекладины, сопротивление внешней среды. Во второй половине
оборота (II) на тело гимнаста действуют эти же силы. Допустим, гимнаст выполняет движение выпрямленным телом на всей траектории оборота. В первой половине оборота сила тяжести оказывает положительное воз действие: она разгоняет звенья тела спортсмена (+) и к моменту прохож дения вертикального положения под опорой спортсмен приобретает мак симальную скорость.
Во второй половине оборота эта же сила оказывает отрицательное воздействие: сила тяжести тормозит (-) звенья тела спортсмена. Совокуп ное тормозящее действие моментов силы тяжести и силы трения кистей рук гимнаста о гриф перекладины приведут к тому, что гимнаст, не доходя примерно 30 0 до вертикального положения над опорой (угол Q), остано вится, что не позволит ему успешно решить двигательную задачу.
Анализ решения общей задачи биомеханики в исследуемом упражне нии показывает, что для увеличения положительного действия момента силы тяжести в первой половине оборота необходимо выполнять движе ние выпрямленным телом (руки, туловище, ноги располагаются на одной прямой) для того, чтобы положительная работа момента силы тяжести на всей траектории оборота была наибольшей.
Для уменьшения отрицательного воздействия момента силы тяже сти, во второй половине оборота, гимнасту необходимо выполнить сгиба тельные движения рук в плечевых и ног в тазобедренных суставах, что позволит приблизить общий центр масс звеньев тела спортсмена к опорной вертикали и поддержать набранную скорость.
Рассмотрим биологические и механические явления в живых системах. Движения человека подчиняются всем законам и закономерностям, которые определяют на Земле движение любого материального тела – это и закон всемирного тяготения, и законы Ньютона, законы гидроаэромеханики, колебательные и волновые явления и т. д. Движения человека, как правило, очень сложны, поскольку его двигательный аппарат представляет собой механическую систему, состоящую из более чем 200 костей и нескольких сотен сухожилий, число мышц, обслуживающих движения, более 600. Всё это необходимо для того, чтобы обеспечить чисто механическое перемещение человека во внешней среде.
Работа мышц – это биологический процесс, при котором мышечные волокна должны быть активированы, чтобы они могли выполнить механическую работу по перемещению звеньев тела. Чтобы совершить работу, необходимо затратить энергию. В организме человека – это результат биохимических реакций. С механической точки зрения человек представляет собой систему, обладающую внутренним источником энергии, биологическим по происхождению. Чтобы мышцы сократились в необходимой последовательности и с определёнными усилиями и в результате создали требуемый механический эффект движения, ими надо управлять, что делают головной мозг и нервная система, функционирование которых имеет биологическую природу.
В каждом движении присутствуют ориентировочная, исполнительная и контрольная части. Исполнительная часть – это и есть механическое движение, которое изучают в биомеханике. Но оно всегда определяется психической и физиологической деятельностью мозга, обеспечивающей не только непосредственное управление движением, но и также ориентировочную и контрольную части двигательного действия по системам внутренней биологической обратной связи.
Спортивная биомеханика изучает двигательные действия человека при выполнении им спортивных упражнений. Спортивная биомеханика изучает движения человека в процессе выполнения физических упражнений. Это необходимо для обеспечения роста спортивных результатов вплоть до рекордного для конкретного спортсмена или определённого вида спорта. Биомеханические исследования выявляют помогающие или препятствующие факторы при совершенствовании в движениях; разработки новых видов инвентаря, тренажёров, спортивных снарядов и оборудования; предупреждения травм.
Основными задачами спортивной биомеханики являются:
• совершенствование спортивной техники, моделирование и конструирование её наиболее рациональных вариантов;
• биомеханический контроль техники отдельных спортсменов с целью исправления ошибок и повышения уровня спортивно-технического мастерства;
• выявления биомеханических закономерностей совершенствования двигательных действий;
• разработка биомеханически целесообразных тренажёров, совершенствование спортивного инвентаря.
В спорте и физическом воспитании обучают движениям и совершенствуют двигательные возможности человека. Следовательно, спортивная биомеханика является составной частью теории и методики спортивной тренировки и физического воспитания.
Читайте также: