Реферат по биомеханике управление двигательными действиями
Обновлено: 05.07.2024
2. Биомеханика движения человека
2.1. Биомеханические характеристики
2.1.1.Кинематические характеристики
2.1.2. Динамические характеристики
2.1.3. Энергетические характеристики
2.2.Биомеханическая характеристика выносливости
2.2.1 Утомление и его биомеханическое проявление
2.2.2 Факторы, характеризующие выносливость
2.2.3. количественная оценка экономичности двигательной деятельности
2.2.4. Способ измерения выносливости
2.3. Двигательный аппарат человека как биомеханическая система
2.3.1. Соединение звеньев тела
2.3.2. Степени свободы в биокинематических цепях
2.3.3. Звенья тела как рычаги и маятники
Работа содержит 1 файл
Курсач.docx
Термин биомеханика составл ен из двух греческих слов: Bios - жизнь и mexane - орудие. Механика - это раздел физики, изучающий механическое движение и механическое взаимодействие материальных тел. Отсюда понятно, что биомеханика - это раздел науки, изучающий двигательные возможности и двигательную деятельность живых существ.
Движение лежит в основе жизнедеятельности человека. Разнообразные химические и физические процессы в клетках тела, работа сердца и течение крови, дыхание, пищеварение и выделение; перемещение тела в пространстве и частей тела относительно друг друга; сложнейшая нервная деятельность, являющаяся физиологическим механизмом психики, восприятие и анализ внешнего и внутреннего мира - все это различные формы движения материи.
Основным условием жизни вообще является взаимодействие живого организма с окружающей средой. В этом взаимодействии существенную роль играет двигательная деятельность. Только передвигаясь, животное может находить себе пищу, защищать свою жизнь, производить потомство и обеспечивать его существование. Только при помощи разнообразных и сложных движений человек совершает трудовую деятельность, общается с другими людьми, говорит, пишет и пр. Определенным образом организованная двигательная деятельность является основой физического воспитания и основным содержанием спорта.
Наиболее элементарной формой движения материи является механическое движение, т.е. перемещение тела в пространстве. Закономерности механического движения изучаются механикой. Предметом механики как науки является изучение изменений пространственного расположения тел и тех причин, или сил, которые вызывают эти изменения.
Вскрывая и описывая условия, необходимые для осуществления того или иного механического движения, механика является важной теоретической основой техники, в особенности техники построения разнообразных механизмов. Механическая точка зрения может быть использована и при изучении механических движений человека.
Двигательная деятельность человека практически осуществляется при участии всех органов тела. Однако непосредственным исполнителем функции движения является двигательный аппарат, состоящий из костей, скелета, связок и мышц с их иннервацией и кровеносными сосудами. С механической точки зрения, двигательный аппарат совмещает в себе рабочую машину и машину-двигатель.
Устройство двигательного аппарата является предметом изучения анатомии. Изучение двигательного аппарата как машины-двигателя производится, главным образом, биохимией и физиологией. Изучение его как рабочей машины является задачей особой научной дисциплины - биомеханики.
2.Биомеханика движения человека
2.1. Биомеханические характеристики
Специфической особенностью биомеханики являются биомеханические характеристики движений. Это показатели количественной оценки, описания и анализа механического состояния в результате двигательной деятельности. Все биомеханические характеристики делятся на кинематические, динамические и энергетические.
2.1.1.Кинематические характеристики
Кинематические характеристики отражают движение тела и его частей в пространстве и их изменение во времени, т.е. дают внешнюю картину (форму, характер) двигательной деятельности. К ним относят пространственные, временные, пространственно - временные характеристики. Все перемещения тела можно измерить только базируясь на сравнении положения какого-либо тела или точки отсчета, т.е. все движения рассматриваются как относительные, поэтому необходимо выбрать системы отсчеты расстояний и времени. Система отсчета (расстояния) - условно выбранное твердое тело (точка), относительно которого определяют положение других тел в разные моменты времени. Наиболее популярной системой отсчета является прямоугольная система координат, в которой положение материальной точки в пространстве описывается ее координатами на трех взаимно перпендикулярных осях (вертикальной и двух горизонтальных - поперечной и продольной) (рис.1).
Самой простейшей системой отсчета является естественный способ описания движения, когда за исходную точку принимают точку на известной траектории перемещения (километровый указатель на дороге) (рис.1).
В векторном способе отсчета расстояний положение точки определяют радиус-вектором R (рис.1), проведенным из центра данной системы координат к интересующей точке (используется в навигации, ориентировании и т.д.). Как частный случай векторного способа выделяют способ полярных координат, когда расстояние определяют длинной вектора, а направление - углом между вектором и принятым исходным направлением (полярная ось) (рис.1) (используется в парусном спорте и в спортивном ориентировании).
Используя несложные вычисления можно легко переходить от способа прямоугольных координат к полярному и наоборот. Зная координаты точки можно определить вектор и угол:
В систему отсчета времени входят определение начала движения и единицы отсчета продолжительности движения. За единицу отсчета времени принимают секунду, минуту, час, долю секунд и т.д.).
К пространственным характеристикам, определяющим положение тела и его частей в пространстве, относят координаты точки - это пространственная мера местоположения точки относительно точки отсчета. Рис.1 Способы отсчета расстояний: а) прямоугольных координат, б) естественный, в) векторный, г) полярный.
Перемещение тела (точки) - это расстояние по прямой между начальным и конечным положением тела. Линейное перемещение измеряется в единицах длины (метрах). Угловое перемещение угол поворота тела или его частей (при вращательных движениях) измеряется в градусах. Элементарное перемещение - это такое перемещение точки, при котором расстояние между конечным и начальным положением тела стремится к нулю.
Траектория - это множество точек пространства через которые последовательно проходит тело во время движения в данной системе координат.
Временные характеристики раскрывают движение во времени. К ним относится момент времени, длительность, темп и ритм движения.
Момент времени - это временная мера положения точки тела в принятой системе отсчета времени. Это промежуток времени стремящийся к нулю. Например, момент старта и др.
Длительность движения - это временная мера, определяемая разностью времен окончания и начала движения.
Темп движения - это временная мера повторения движений. Измеряется количеством повторяемых движений в единицу времени.
Например, количество шагов в секунду отображает количественную сторону движения.
Ритм движения - это временная мера соотношения частей движения. Величина безразмерная, характеризует качественную сторону структуры движения, например, в отношение времени фазы опоры ко времени фазы полета в беге.
Пространственно - временные характеристики позволяют оценить движение тела одновременно в двух системах отсчета (в пространстве и во времени), к ним относятся скорость и ускорение. Скорость показывает, как быстро изменяются координаты тела и его материальных точек.
Скорость равна отношению перемещения тела к промежутку времени, за который это перемещение произошло:
Ускорение характеризует быстроту изменения скорости:
Средняя скорость - это такая скорость, с которой тело при равномерном движении за какое-то время прошло бы все перемещение:
Мгновенная скорость - это перемещение тела за промежуток времени, стремящийся к нулю. Это перемещение в данный момент времени.
2.1.2. Динамические характеристики
Все движения человека изменяются по величине, направлению и скорости. Причиной этих изменений являются действующие на биосистему внешние и внутренние силы. Для анализа механизма движений биосистемы исследуют динамические характеристики, к ним относят инерционные характеристики (свойства тела человека и др. тел)
Инертность - это свойство тела или его частей сохранять свое внутреннее состояние, состояние движения или состояние покоя. Под инерцией внутреннего состояния системы подразумевается напряжение мышц (упругие деформации мышц), температура тела и т.п. Инерция покоя оценивается массой тела, измеряемой отношением величины приложения силы к вызываемому им ускорению:
Инерция движения тела определяется величиной силы необходимой для остановки тела и направленной противоположно движению:
Сила - это мера механического действия одного тела на другое. Числено определяется произведением массы тела на его ускорение, вызванное данной силой.
При вращательном движении инертность тела определяется моментом инерции, равным произведению массы тела на квадрат радиуса вращения.
Действие силы определяется моментом силы, равным произведению величины силы на ее плечо:
Ускорение, приобретенное телом, прямо пропорционально действующей силе и обратно пропорционально его инертности:
Поскольку ускорение есть изменение скорости в единицу времени:
Значит, изменение скорости тела зависит от величины силы и времени ее действия (t). Следовательно, можно выделить биомеханические характеристики:
- импульс момента силы:
где ∆t = tк – tн - интервал времени от начала до окончания действия силы;
- средние величины силы вращающего момента.
Импульс силы - это мера воздействия силы на твердое тело за данный промежуток времени (в поступательном движении).
Импульс момента силы - это мера воздействия момента силы относительно данной оси за данный промежуток времени (во вращательном движении)
Вследствие воздействия импульса силы или момента силы тело изменяет свое движение или состояние. Эти изменения определяются количеством движения и кинетическим моментом.
Количество движения - это мера поступательного движения, она определяется произведение массы тела на его скорость:
Кинетический момент - это мера вращательного движения, она определяется произведением момента инерции тела относительно оси вращения на его скорость.
2.1.3. Энергетические характеристики
Энергетические характеристики показывают, как изменения скорости движения и положения тела изменяют его энергетическое состояние. При движениях тело совершает работу. Механическая работа равна произведению силы на перемещение:
Для оценки силы определяют ее мощность, характеризующую быстроту выполнения работы. Мощность силы - это мера эффективности работы, т.е. быстроты выполнения работы, определяется следующим образом:
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Реферат на тему:
Методы исследования в биомеханике
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОМЕХАНИКЕ. 4
1.1. Понятие метода исследования. 4
1.2. Этапы измерений. 4
1.3. Состав измерительной системы. 5
ГЛАВА 2. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. 7
2.1. Киносъемка. 7
2.2. Видеосъемка. 7
2.3. Оптоэлектронная циклография. 8
2.4. Динамометрия. 8
2.5. Акселерометрия. 10
2.6. Электромиография. 11
ГЛАВА 3.МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОМЕХАНИКЕ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА. 14
СПИСОК использованных источников. 17
Биомеханика является сложной дисциплиной, она объединяет знания из разных областей науки. Поэтому методы биомеханики можно рассматривать с разных позиций: медицинской и механической. Исходя из медицинской точки зрения, методы биомеханики - это, в первую очередь, методы диагностики, которые включают в себя клинические тесты, нахождение механических свойств изучаемого объекта, визуализацию внутренних органов, инвазивные процедуры. Клинические тесты применяются медицинскими сотрудниками при первичном осмотре. К методам визуализации относятся магнитно-резонансная томография, рентгенография, видеорентгенография и т.д. Инвазивный метод диагностики - это процедура, при которой происходит проникновение через кожный покров с целью поставить диагноз. Наиболее часто этот метод применяют для электрофизиологического исследования сердца, двигательной функции позвоночника и генетической проверки эмбриона.
А с позиции механики - это моделирование и численные методы. Моделирование - это процесс создания модели для конкретной задачи. Он включает в себя выявление качественных особенностей изучаемого объекта, а также количественные характеристики, полученные из экспериментов.
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОМЕХАНИКЕ
1.1. Понятие метода исследованиЯ
Метод (греч. methodos – путь к чему-либо) – в самом общем значении – способ достижения цели, определенным образом упорядоченная деятельность.
Метод исследования выбирают исходя из условий проведения и задач исследования. К методу исследования и обеспечивающей его аппаратуре предъявляют следующие требования:
Метод и аппаратура должны обеспечивать получение достоверного результата, то есть степень точности измерений должна соответствовать цели исследования;
Метод и аппаратура не должны влиять на исследуемый процесс, то есть искажать результаты и мешать испытуемому;
Метод и аппаратура должны обеспечивать оперативность получения результата.
Пример. Тренер и спортсмен поставили цель улучшить результат в беге на 100 м на 0,1 с. Спринтер пробегает дистанцию 100 м за 50 шагов, следовательно, время каждого шага должно в среднем быть уменьшено на 0,002 с. Очевидно, для получения достоверного результата, погрешность измерения длительности шага не должна превышать 0.0001 с.
1.2. Этапы измерений
В исследовании какого-либо явления существуют три этапа:
Измерение механических характеристик.
Измерение механических характеристик осуществляется на основе описываемых в этой лекции методов.
Обработка результатов исследования.
В настоящее время для обработки результатов используют специальные компьютерные программы. Так. Например, компьютерная программа Video Motion, предназначенная для атлетизма, позволяет на основе данных видеосъемки рассчитать траекторию, скорость и ускорение движения любой точки тела спортсмена, в том числе и грифа штанги.
Биомеханический анализ и синтез.
На заключительном этапе измерений на основе полученных механических характеристик оценивается техника двигательных действий спортсмена и даются рекомендации по ее совершенствованию.
1.3. Состав измерительной системы
Измерительная система включает в себя:
Устройство для вывода данных.
Датчик – элемент измерительной системы, который непосредственно измеряет (воспринимает) определенную биомеханическую характеристику движения спортсмена. Датчики могут крепиться на спортсмене, спортивном инвентаре и оборудовании, а также опорных поверхностях.
Линия связи служит для передачи информации от датчика к регистрирующему устройству. Линия связи может быть проводной и телеметрической. Проводная связь представляет собой передачу информации через многожильный кабель. Ее достоинством является простота и надежность, недостатком – помехи движениям спортсмена. Телеметрическая связь – передача данных через радиоканал. В этом случае на спортсмене чаще всего расположена передающая антенна, а у регистрирующего устройства есть приемная антенна, посредством которой сигнал воспринимается.
Регистрирующее устройство – прибор, в котором происходит процесс регистрации биомеханических характеристик движений спортсмена.
Долгое время существовала аналоговая форма записи сигнала. Например, аналоговая запись сигнала в видеокамерах на магнитную ленту. В настоящее время широко распространена цифровая форма записи сигнала (в виде последовательности цифр на определенный цифровой носитель, например, DVD-диск).
АЦП – аналого-цифровой преобразователь – устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровую форму.
ПК – персональный компьютер, в котором происходит обработка поступающего сигнала посредством определенной компьютерной программы. После этого информация о биомеханических характеристиках спортсмена выводится на принтер или монитор.
В настоящее время в области атлетизма (тяжелая атлетика, пауэрлифтинг, бодибилдинг) нашли широкое применение следующие методики исследования:
Оптические методы (кино- и видеосъемка с последующим анализом, оптоэлектронная циклография);
Именно об этих методах мы поговорим подробнее.
ГЛАВА 2. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Киносъемка – оптический метод исследования. Этот метод относится к бесконтактным средствам измерения. Это особенно важно, поскольку система не мешает спортсмену при выполнении двигательных действий. Основным техническим средством является кинокамера. Для проведения биомеханических исследований чаще всего применяется кинокамеры с высокой частотой съемки (от 100 кадров в секунду и выше). Недостаток киносъемки является необходимость специальной обработки кинопленки. Поэтому в настоящее время в биомеханических исследованиях чаще всего применяются два других оптических метода: видеосъемка и оптоэлектронная циклография.
Видеосъемка – оптический метод исследования, позволяющий фиксировать двигательное действие на видеопленке или электронной матрице видеокамеры. В настоящее время для биомеханических исследований применяют высокоскоростные видеокамеры, позволяющие выполнять съемку до 1000 кадров в секунду и выше.
Примером такой камеры может служить цифровая фотокамера CASIO EXILIM PRO EX-F1 (рис.4.1), позволяющая выполнять скоростную съемку с частотой до 1200 кадр/с. Разрешение матрицы фотокамеры составляет 6,6 Мегапикселов[1]. Для регистрации выполнения спортсменом силовых упражнений данной камерой может использоваться видеосъемка, которую нужно производить с разрешением 1920×1080 пикселей с частотой кадров 60 кадр/с.
2.3. Оптоэлектронная циклография
Оптоэлектронная циклография – оптический метод исследования, состоящий в том, что на суставах спортсмена крепятся активные маркеры – миниатюрные излучатели, работающие в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитных волн. Инфракрасный сигнал от датчиков поступает в телевизионную камеру, матрица которой преобразует поступающие сигналы в цифровой вид и передает в компьютер. Посредством оптоэлектронной циклографии в настоящее время двигательные действия спортсменов изучаются не в плоскости, а в трехмерном пространстве. С этой целью вокруг спортсмена устанавливают несколько регистрирующих камер.
Динамометрия – метод, применяемый для оценки силовых способностей спортсмена. Информативным показателем силовых способностей является сила, развиваемая определенной мышечной группой. Для измерения силы мышц используются динамометры, которые делятся на механические и электронные.
Важнейшей деталью механических динамометров является пружина, которая должна работать в области линейной деформации. Это означает, что измеряемая сила прямо пропорциональна удлинению пружины. При измерениях в спорте очень часто применяются кистевые и становые (рис. 4.2) динамометры. Так, например, для измерения силы тяги в пауэрлифтинге используется становой динамометр. Диапазон измерений составляет от 100 Н до1800 Н с погрешностью +/-2 % по всей шкале. Вес 1.8 кг, размер 25,4х6,35 см. Ручка из прочного алюминия с удобным местом для захвата.
Недостатком механических динамометров является оценка одного, чаще всего максимального значения силы. В связи с этим, если необходимо изучить изменение усилия, развиваемого мышечной группой или спортсменом, применяются электронные динамометры. В этом случае датчиком является не пружина, а тензодатчик, а сама методика называется тензодинамометрия.
Метод тензодинамометрии позволяет зарегистрировать усилия, развиваемые спортсменом при выполнении различных физических упражнений.
В процессе выполнения спортивных движений спортсмен оказывает механическое воздействие на самые разнообразные предметы: спортивный снаряд, пол, дорожку, которые в результате этого деформируются. Для того, чтобы измерить значения развиваемых спортсменом усилий, используют специальные тензодатчики, преобразующие механическую деформацию в электрический сигнал. В основе работы тензодатчиков лежит тензоэффект. Суть тензоэффекта – изменение сопротивления проводника при его удлинении.
Тензодатчик представляет собой заклеенную между двумя полосками бумаги проволоку диаметром 0.02-0,05 мм. Он наклеивается на упругий элемент, воспринимающий усилие, задаваемое спортсменом.
В 1938 году были разработаны первые тензодатчики, которые работали на основе тензоэффекта. В 1947 году тензометрия впервые стала применяться в физических исследованиях
В спорте впервые в 1954 году М.П. Михайлюк закрепил тензодатчик на грифе штанги, П.И. Никифоров (1957) разработал тензоплатформу для записи усилий при отталкивании в прыжках в высоту. В 1963 году В.К. Бальсевич использовал тензодинамометрические стельки для анализа бега спринтеров различной квалификации. Им было установлено несколько типов отталкивания.
Методика тензодинамометрии активно применяется в тяжелой атлетике. Одна из ключевых задач тренера заключается в предоставлении информации об ошибках, то есть обратная связь от тренера к спортсмену. Обратная связь является важным элементом обучения. Спортсмен должен получать на регулярной основе информацию, которая позволяет сравнить собственную деятельность с идеалом или моделью. В результате такого сравнения, спортсмен получит знания о своей деятельности и имеет возможность работать на исправление своих ошибок.
Такая методика разработана А.Н. Фураевым (1988) и модернизирована И.П. Кожекиным (1998). Автоматизированный стенд включает в себя тензодинамометрическую платформу, АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и компьютер. В экспертной системе компьютера заложены образцы, характеризующие правильное и неправильное выполнение двигательного действия (рывка, прыжка вверх и прыжка в глубину. Сопоставляя полученные результаты, экспертная система, построенная на анализе тензодинамограммы, позволяет спортсмену в реальном масштабе времени получить информацию об ошибках в технике двигательного действия и ввести корректировки чтобы их устранить.
Акселерометрия – биомеханический метод регистрации ускорений движения тела спортсмена, или его отдельных частей, а также ускорений спортивных снарядов. Например, в тяжелой атлетике информативным показателем техники движений спортсмена является ускорение центра масс штанги.
В качестве датчиков используются специальные акселерометры. Принцип действия датчика-акселерометра следующий. К исследуемому объекту прикрепляется масса при помощи связи, обладающей определенной жесткостью. Затем на основе известной массы и жесткости связи определяется ускорение. Основными характеристиками акселерометров являются диапазон и предельная частота изменения измеряемых ускорений.
Если используется трехкомпонентный акселерометр, можно зарегистрировать три составляющих ускорения. Выполняя дифференцирование полученного сигнала, можно рассчитать скорость и перемещение спортивного снаряда, например, грифа штанги.
Электромиография – способ регистрации и анализа биоэлектрической активности мышц.
Суть явления заключается в регистрации электрических потенциалов мышц, которые появляются при возбуждении мышцы. Таким образом, электромиография, является надежным методом регистрации активности мышц.
Чаще всего регистрируются следующие параметры ЭМГ (электромиограммы); длительность электрической активности мышц, частота биопотенциалов, амплитуда биопотенциалов и суммарная электрическая активность мышц.
Длительность электрической активности мышц характеризует время, в течение которого мышца была возбуждена.
Частота и амплитуда биопотенциалов мышцы характеризует степень возбуждения мышцы и характер активности различных ДЕ. Суммарная электрическая активность дает представление об общем уровне напряжения и силы развиваемой мышцей. Чем больше суммарная электрическая активность, тем больше степень напряжения, развиваемая мышцей.
Датчиками, используемыми для регистрации электрической активности, служат серебряные электроды, выполненные в виде небольших кружков (чашечек). Их диаметр составляет не более 10 мм. Внутри этих чашечек для лучшей электропроводности помещается специальная электропроводящая паста. В настоящее время регистрирующим прибором является персональный компьютер.
Одной из первых работ, в которой электромиографическая методика применялась в исследовании двигательных действий штангиста, следует признать диссертационную работу А.С. Степанова (1957). В этом исследовании А.С. Степанов (1957) подверг детальному электромиографическому анализу основные соревновательные упражнения штангистов: толчок, рывок и жим.
В исследовании С.С. Лапенкова (1985) был проведен биомеханический анализ тяжелоатлетических и вспомогательных упражнений с использованием методики электромиографии. При сравнительном анализе движений использовались следующие характеристики ЭМГ: время электрической активности, которое характеризует длительность приложения усилий, развиваемых мышцами, средняя амплитуда ЭМГ, которая взаимосвязана с уровнем развития мышечных усилий. Использование ЭМГ методики и структурного метода распознавания образов позволило оценить эффективность вспомогательных упражнений.
За рубежом серьезные исследования силовых упражнений с применением электромиографической методики были предприняты R.F. Escamilla et al. (2001). Подробному электромиографическому и биомеханическому анализу были подвергнуты присед со штангой на плечах и жим ногами лежа.
Было установлено, что при выполнении приседания активность четырехглавой мышцы бедра и мышц задней поверхности бедра выше, чем при выполнении жима ногами. При этом присед, выполняемый с узкой расстановкой стоп, вызывает большую электрическую активность икроножной мышцы по сравнению с широкой расстановкой стоп.
Был проведен также анализ работы мышц при выполнении силовых упражнений: приседа со штангой на плечах (Н.Б. Кичайкина, А.В. Самсонова, Г.А. Самсонов, 2011). Установлено, что в нижней точке (НТ) электрическая активность большой ягодичной мышцы и мышц-разгибателей бедра (двуглавой бедра и полусухожильной) минимальна.
Положительной особенностью электромиографии являлось то, что она позволяла в разных движениях оценить степень активности скелетных мышц. С этой целью чаще всего применяется изучение суммарной электрической активности мышцы. Кроме того, появилась возможность оценить последовательность активности мышц при выполнении двигательного действия.
ГЛАВА 3.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.
Произвольные движения – выработанные с участием сознания, а по мере их освоения могут осуществляться бессознательно. Каждый двигательный акт включает моторные и вегетативные компоненты. Первые обеспечивают движение (или позу), вторые – соответствующий уровень обмена, кровотока, дыхания и т.д.
Непосредственное управление скелетными мышцами (кроме мышц лица) обеспечивается мотонейронами спинного мозга, а произвольная их регуляция – при участии вышележащих отделов и коры больших полушарий. В организации двигательного акта участвуют различные отделы коры: моторная зона (прецентральная извилина) посылает импульсы к отдельным мышцам; объединение отдельных элементов движения в целостные акты осуществляют вторичные поля премоторной области; субъективное ощущение движения обеспечивает постцентральная извилина коры (общечувствительная зона); пространственная организация движений происходит благодаря участию нижнетеменных и теменно-затылочно-височных областей коры; эмоциональную окраску двигательной деятельности и управление вегетативными реакциями при работе обеспечивает лимбическая система (нижние и внутренние части коры). В высшей регуляции произвольных движений важнейшая роль принадлежит лобным долям: здесь происходит программирование произвольных движений, определение цели поведения, сравнение намеченной программы с результатами ее реализации. При этом используется вторая сигнальная система (внутренняя речь, словесные сигналы).
С помощью электроэнцефалограммы установлено, что при двигательной активности значительно усиливается (по сравнению с покоем) взаимосвязь (синхронность и синфазность) электрической активности различных областей коры.
Устанавливающиеся взаимосвязи между различными отделами коры и нижележащими нервными центрами, возникающие при этом циклы взаимных влияний от высших центров к низшим и обратно, образуют замкнутую систему (или цикл) регулирования. При двигательной деятельности возникает множество таких циклов (например, между корой и ретикулярной формацией, между корой и мозжечком, между мотонейронами спинного мозга и мышцей и др.), образуя многоуровневую систему по Н.А. Бернштейну.
В конкретный момент та или иная рефлекторная реакция является наиболее важной для жизнедеятельности организма, поэтому в центральной нервной системе возникает господствующий очаг возбуждения – доминанта (А.А. Ухтомский) Чем больше нейронов вовлечено в данный очаг возбуждения, тем больше доминанта подавляет деятельность других отделов мозга.
Управление как способ достижения цели возможно лишь тогда, когда эта цель имеется. В двигательных действиях целью управления служит двигательная задача.
Двигательная задача - это обобщенные требования к двигательному действию, которые определяются характером предстоящего действия и общей последовательностью его этапов.
В каждом двигательном действии человека осуществляется определенная двигательная задача. Она может заключаться в достижении определенной конечной цели (забросить шайбу в ворота) либо в выполнении заданного процесса движения (выполнить комбинацию на гимнастическом коне). Решение двигательной задачи представляет собой цель управления движениями. Двигательная задача есть как бы образец того, чего еще нет ("модель потребного будущего", по Н.А. Бернштейну).
Задача может быть поставлена извне и заранее (требования соревнований, задание тренера). Она может возникнуть произвольно у самого спортсмена. Могут быть такие сочетания внешних и внутренних причин, которые вызывают изменение двигательной задачи или появление новой.
Для решения поставленных задач в центральной нервной системе вырабатываются программы двигательных действий, в результате формируются команды к эфферентным нейронам и далее – к мышцам.
Особенностью такого управления является наличие обратной связи (осуществляется оценка правильности и эффективности выполненных движений). В результате происходит сенсорная коррекция (сохранение основных черт движения, несмотря на изменение условий его осуществления).
Такая коррекция возможна лишь при достаточной длительности движений. В условиях дефицита времени программирование движения должно отличаться большой точностью.
Различают регуляцию позы и движения. Поза (фиксация частей скелета в определенном положении) необходима для преодоления силы земного притяжения, сохранения равновесия, выполнения трудовой деятельности и т.д. Сохранение позы осуществляется благодаря статическим и статокинетическим рефлексам. Первые возникают при изменении положения тела или его частей в пространстве (лабиринтные, шейные, выпрямительные рефлексы), вторые компенсируют отклонения тела при ускорении и замедлении прямолинейного движения (усиление тонуса сгибателей при быстром подъеме и разгибателей при спуске – лифтный рефлекс). При вращении возникают реакции противовращения, проявляющиеся в отклонении головы, тела и глаз (нистагм) в сторону, противоположную движению.
Основой организации определенной позы является правильное распределение тонуса различных мышц, что обеспечивается деятельностью мозжечка, подкорковых ядер и коры. При этом происходит выбор наиболее целесообразной для данного момента позы.
Движения регулируются различными отделами центральной нервной системы, но в целостном поведении сочетаются под контролем высших отделов, обуславливая двигательные действия. Образующаяся в процессе обучения по механизму условных рефлексов многофазная цепь рефлексов представляет собой двигательный навык.
Отличительной особенностью управления произвольными движениями человека является речевая регуляция. Двигательный навык - это выработанное вследствие тренировки движение, компоненты которого в значительной степени автоматизированы. Двигательный навык – основа формирования двигательного стереотипа. Двигательный навык характеризуется словесными "рабочими формулами", которые произносятся мысленно про себя или в виде команд. Эти коман-ды предполагают выполнение определенного движения или физического упражнения. Эти движе-ния многократно повторяются и заучиваются. Так формируется двигательный навык. В 1935 г. для объяснения двигательного поведения человека и животных П.К. Анохиным предложена теория функциональных систем, в соответствии с которой, приобретаемый в онтогенезе двигательный навык – это многоуровневая функциональная система с воспринимающими, управляющими, исполнительными компонентами, обратными связями, объединенными в единую организацию для реализации целесообразной функции (конечного приспособительного результата) (рис. 46).
Рис. 46. Схема целенаправленного поведенческого акта (функциональная система)
Функциональная система, разработанная П.К. Анохиным, является принципиальной схемой физиологических механизмов поведенческих реакций.
Все реакции организма, начиная от вегетативных и кончая сложными поведенческими актами, если только они заканчиваются полезным завершающим эффектом, непременно осуществляются через три стадии: афферентного синтеза; принятия решения; предсказания результата предстоящего действия в форме создания модели афферентных признаков этого ожидаемого результата будущего действия – акцептора действия.
Характерной особенностью двигательных реакций, управляемых корой, является то, что они вырабатываются в результате индивидуального жизненного опыта, в процессе тренировок.
Тренировка, т.е. многократное повторение определенных движений, приводит к их автоматизации, благодаря чему они становятся более точными, в необходимой степени быстрыми, размеренными по силе и амплитуде, в соответствии с задачей, которая решается при выполнении данного двигательного акта (упражнения). Лишние движения в процессе тренировок устраняются.
Автоматизированными двигательными актами у человека являются ходьба, бег и многие трудовые движения (процессы, акты).
Читайте также: