Геометрия масс тела

БИОМЕХАНИКА ДВИГАТЕЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЙ

Лекция 5

Тема 1.4. Биодинамика движений человека. Геометрия масс тела чело­века: массы и моменты инерции звеньев тела человека, общий и частный центр масс тела и его звеньев, центр объема и центр поверхности тела.

Силы в движениях человека. Силы внешние как меры действия внешних тел, среды и опоры на тело человека. Силы инерции внешних тел, силы упругой деформации, силы тяжести и веса, силы реакции опоры. Роль сил в движениях человека. Силы внутренние как мера взаимодействия частей тела и тканей тела человека.

Силы в пассивных элементах двигательного аппарата человека. Силы внутрибрюшного давления. Экспериментальные и аналитические способы оп­ределения внутренних сил.

Фракции полной механической энергии. Теорема Кенига. Работа пере­мещения: внутренняя и внешняя работа, вертикальная и продольная работа. Экономия механической энергии: обмен энергии, переход энергии от звена к звену, использование потенциальной энергии упругой деформации мышц и су­хожилий.

Методы измерения работы и энергии при движениях человека.

Геометрия масс тела (распределение масс тела) характеризуется такими показателями, как вес (масса) отдельных звеньев тела, поло­жение центров масс отдельных звеньев и всего тела, моменты инерции и др.

Вес отдельных звеньев тела зависит от веса тела в целом. Приближенные величины относительного веса звеньев тела (в про­центах к весу всего тела) приведены на рис. 23 (числа справа от фигуры человека)". Эти данные пригодны лишь в качестве грубого первоначального ориентира:

относительный вес отдельных звеньев тела не­постоянен. Например, если человек, весивший(60 кг, затем, поправив­шись, стал весить 90)кг, то это не означает, что все звенья его тела, в частности стопы, кисти, голова, стали тоже в 1,5 раза тяжелее. Более точно можно определить вес отдельных звеньев тела, использовав уравнения регрессии, приведенные в табл. 2

Центр масс твердого тела является вполне определенной фикси­рованной точкой, не изменяющей своего положения относительно тела. Центр масс системы тел может менять свое положение, если изменяются расстояния между точками этой системы.

В биомеханике различают центры масс отдельных звеньев тела (например, голени или предплечья) и центр масс всего тела.

У человека, стоящего в основной стойке, горизонтальная плоскость, проходящая через ОЦМ, находится примерно на уровне второго крестцового позвонка. В положении лежа ОЦМ смещается в сторону головы примерно на 1%; у женщин он расположен в среднем на 1-2% ниже, чем у мужчин; у детей-дошкольников он существенно выше, чем у взрослых (например, у годовалых детей в среднем на 15%).

При изменении позы ОЦМ тела, естественно, смещается и в некоторых случаях, в частности при наклонах, вперед и назад, может находиться вне тела человека - рис. 24.

Чтобы определить положение ОЦМ тела, используют либо экс­периментальные, либо расчетные методы. Одним из наиболее про­стых экспериментальных методов является взвешивание человека в избранной позе на специальной платформе, имеющей три точки опоры. Одна из них покоится на неподвижном основании, а две другие - на весах (рис. 25). Показания весов (без человека) Fa, и F b , указывают величину давления на весы самой платформы. Взвесив человека, определяют показания весов F Az и F В] . Рассматривая по очереди линии АС и ВС как оси вращения, можно написать уравнения моментов для системы, находящейся в равновесии. Отсюда:

Гораздо чаще, чем экспериментальные, используют расчетные методы. Чтобы определить расчетным путем координаты ЦМ тела в любой позе, надо знать: 1) положение отдельных звеньев тела, 2) вес отдельных звеньев тела и 3) положение ЦМ отдельных звеньев тела.

Положение отдельных звеньев тела определяют по кинограммам, фотографиям или каким-либо другим способом (например, с экрана видеомагнитофона); вес - по уравнениям, приведенным в табл. 2. Что касается ЦМ отдельных звеньев, то считают, что они расположены на продольных осях, соединяющих центры суставов. На рис. 23 слева обозначены расстояния между осями суставов (табл. 3) и центрами

масс звеньев. Для определения положения ЦМ тела расчетным путем чаще всего используют теорему Вариньона: сумма моментов сил относительно оси равна моменту равнодействующей силы относи­тельно этой оси.

В настоящее время разработаны методы автоматического расчета положения ЦМ тела отдельных звеньев: ЭВМ сама рисует контурные изображения спортсмена (ЭВМ-палочковые диаграммы), обозначая на них положения ЦМ (рис. 26).

Функция нижних конечностей человека, если исключить многие физические упражнения, определяется главным образом опорой (положение стоя) и локомоцией (ходьба, бег). И в том, и в другом случае на функцию нижних конечностей, в отличие от верхних, имеет значительное влияние общий центр тяжести (ОЦТ) тела человека (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Расположение общего центра тяжести при различных видах стояния: 1 - при напряженном; 2 - при антропометрическом; 3 - при спокойном

Во многих задачах механики удобно и допустимо рассматривать массу какого-то тела так, как будто она сконцентрирована в одной точке - центре тяжести (ЦТ). Поскольку нам предстоит анализировать силы, действующие на тело человека во время выполнения физических упражнений и стоя (покой), нам следует знать, где находится ЦТ у человека в норме и при патологии (сколиоз, коксартроз, ДЦП, ампутации конечности и др.).

В общей биомеханике важным является изучение расположения центра тяжести (ЦТ) тела, его проекции на площадь опоры, а также пространственного соотношения между вектором ЦТ и различными суставами (рис. 2.7). Это позволяет изучать возможности блокировки суставов, оценить компенсаторные, приспособительные изменения в опорно-двигательном аппарате (ОДА). У взрослых мужчин (в среднем) ОЦТ располагается на 15 мм позади от передне-нижнего края тела V поясничного позвонка. У женщин ЦТ в среднем располагается на 55 мм спереди от передне-нижнего края I крестцового позвонка (рис. 2.8).

Во фронтальной плоскости ОЦТ незначительно (на 2,6 мм у мужчин и на 1,3 мм у женщин) смещен вправо, т. е. правая нога принимает несколько большую нагрузку, чем левая.

Рис. 2.7. Виды положения тела человека стоя: 1 - антропометрическое положение; 2 - спокойное положение; 3 - напряженное положение: Кружок с точкой в центре, находящийся в области таза, показывает положение общего центра тяжести тела; в области головы - положение центра тяжести головы; в области кисти - положение общего центра тяжести кисти. Черные точки показывают поперечные оси суставов верхней и нижней конечностей, а также атланто-затылочного сустава

Рис. 2.8. Расположение центра

тяжести (ЦТ): а - у мужчин; б - у женщин

Общий центр тяжести (ОЦТ) тела слагается из центров тяжести отдельных частей тела (парциальные центры тяжести) (рис. 2.9). Поэтому при движениях и перемещении массы частей тела перемещается и общий центр тяжести, но для сохранения равновесия его проекция не должна выходить за пределы площади опоры.

Рис. 2.9. Расположение центров тяжести отдельных частей тела

Рис. 2.10. Положение общего центра тяжести тела: а - у мужчин одинакового роста, но различного телосложения; б-у мужчин разного роста; в - у мужчин и женщин

Высота положения ОЦТ у разных людей значительно варьирует в зависимости от целого ряда факторов, к числу которых в первую очередь относятся пол, возраст, телосложение и пр. (рис. 2.10).

У женщин ОЦТ обычно "располагается несколько ниже, чем у мужчин (см. рис. 2.8).

У детей раннего возраста ОЦТ тела расположен выше, чем у взрослых.

При изменении взаимного расположения частей тела, проекция его ОЦТ также меняется (рис. 2.11). Меняется при этом и устойчивость тела. В практике спорта (обучение упражнениям и тренировки) и при выполнении упражнений лечебной гимнастики этот вопрос очень важен, так как при большей устойчивости тела можно выполнять движения с большей амплитудой без нарушения равновесия.

Рис. 2.11. Положение общего центра тяжести при различных положениях тела

Устойчивость тела определяется величиной площади опоры, высотой расположения ОЦТ тела и местом прохождения вертикали, опущенной из ОЦТ, внутри площади опоры (см. рис. 2.7).

Чем больше площадь опоры и чем ниже расположен ОЦТ тела, тем больше устойчивость тела.

Количественным выражением степени устойчивости тела в том или ином положении является угол устойчивости (УУ). УУ называется угол, образованный вертикалью, опущенной из ОЦТ тела и прямой, проведенной из ОЦТ тела к краю площади опоры (рис. 2.12). Чем больше угол устойчивости, тем больше степень устойчивости тела.

Рис. 2.12. Углы устойчивости приРис. 2.13. Плечи силы тяжести по

выполнении упражнения «шпагат»: отношению к поперечным осям

а - угол устойчивости назад; вращения в тазобедренном, коленном

р - угол устойчивости вперед; и голеностопном суставах опорной

Р - сила тяжести ноги конькобежца

(по М.Ф. Иваницкому)

Вертикаль, опущенная из ОЦТ тела, проходит на некотором расстоянии от осей вращения суставов. В связи с этим сила тяжести в любом положении тела имеет по отношению к каждому суставу определенный момент вращения, равный произведению величины силы тяжести на ее плечо. Плечом силы тяжести является перпендикуляр, проведенный из центра сустава к вертикали, опущенной из ОЦТ тела (рис. 2.13). Чем больше плечо силы тяжести, тем больший момент вращения она имеет по отношению к суставу.

Масса частей тела определяется различными способами. Если у разных людей абсолютная масса частей тела будет значительно различаться, то относительная масса, выраженная в процентах, достаточно постоянна (см. табл. 5.1).

Очень большое значение имеют данные о массе частей тела, а также о расположении парциальных центров тяжести и моментов инерции в медицине (для конструирования протезов, ортопедической обуви и т. п.) и в спорте (для конструирования спортивного инвентаря, обуви и т. п.).

Центр тяжести - это точка, к которой может быть приложена равнодействующая сил тяжести всех частей тела, т. е. место, где как бы сосредоточен весь вес тела. По отношению к этой точке части тела автоматически располагаются так, чтобы тело сохраняло равновесие. Для художника нахождение центра тяжести приобретает наибольшее значение в стоячей позе, в особенности если модель стоит на одной ноге. На стоящей спокойно фигуре центр тяжести находится в области крестца несколько выше середины роста, но при наклонах он перемещается в направлении наклона (рис. 69).

Площадь опоры для стоящего человека-это площадь, которая лежит между подошвами его ног с прибавлением тех участков площади, на которую они опираются. Равновесие тем устойчивее, чем шире площадь опоры, поэтому если хотят стоять устойчиво, широко расставляют ноги. Чем уже площадь опоры, тем менее устойчиво равновесие, например, у человека, стоящего на одной ноге, вся площадь опоры - это площадь, занимаемая подошвой этой ноги. У сидящей фигуры площадь опоры больше, а у лежащей - еще больше. Тело будет в равновесии, если вертикаль, опущенная из центра тяжести, падает на площадь опоры. Чем ближе к краю опорной площади падает эта вертикаль, тем менее устойчиво равновесие (поэтому у стоящего на одной ноге равновесие мало устойчиво, так как вертикаль эта падает близко к границе опорной площади и при колебаниях легко может выйти за ее границу).

При наклонах фигуры вертикаль приближается к краю опорной площади, а при сильных наклонах выходит за ее черту, поэтому при сильных наклонах надо перемещать центр тяжести обратно, а для этого переносить часть туловища в противоположную сторону. Например, при наклонах вперед таз переносится назад (попробуйте наклониться вперед, став вплотную пятками к стене; это не удастся: туловище будет падать, так как таз нельзя перенести кзади). Если нести в одной руке тяжесть, например ведро с водой, то туловище надо отклонить в противоположную сторону, а если воды много, даже вытянуть свободную руку. Нельзя встать со стула, не наклонив туловище вперед. Таких примеров при явной потере равновесия множество. Но тело стремится к наиболее устойчивому спокойному положению даже тогда, когда равновесие явно не теряется. Человек инстинктивно стремится принять та-

Рис. 69. Различное положение тела человека:

/ - неустойчивое положение (слева), устойчивое положение (справа); II - незначительное перенесение тяжести вперед, способствующее поступательному движению при ходьбе; III - значительное перемещение тяжести тела вперед - способствующее быстрому бегу; IV - равномерное распределение тяжести тела при подъеме и опускании на корточки; V - перенесение тяжести тела и груза вперед для подъема на лестницу; VI - если ступни нельзя поместить

под сиденьем, необходимо при подъеме переместить часть тяжести тела вперед; VII - при перемещении ступней под сиденье можно подниматься плавно; VIII - стоя вплотную к стене, нагнуться нельзя - можно упасть; /X - необходимо отступить от стены, чтобы перенести часть тела назад, выгнув таз; X - использование потери равновесия при нанесении удара

(а - в боксе, б - при рубке дров)

кую позу, т. е. взаимно расположить части своей фигуры в пространстве по отношению к площади опоры так, чтобы поза была более устойчива (чтобы меньше всего была подвержена потере равновесия при наименьшей затрате мышечной силы).

Это стремление к устойчивости и покою легче всего увидеть, если поставить натурщика в свободную позу, опирающимся на одну ногу и с другой отставленной ногой, не поправлять его и дать самому принять удобное положение. В этой позе таз будет отнесен в сторону опорной ноги и наклонен в сторону отставленной, грудная клетка тоже отнесена в сторону опорной ноги. Остальные части фигуры: шея, голова, плечевой пояс, руки - тоже займут положение, наиболее благоприятствующее полному сохранению равновесия, т. е. наиболее удобное. Если проверить это на себе, став самому в ту же позу (желательно перед зеркалом) и, приняв наиболее покойное удобное положение, затем нарочно переместить какую-нибудь часть тела - переменить наклон головы, переместить руку, приподнять плечо, то можно заметить или небольшое колебание всей фигуры, или незначительное перемещение ее частей - руки, лопатки, головы, шеи; тело автоматически компенсирует даже малую потерю устойчивости, которую вызвало нарочитое движение.

Взаимодействие частей тела для сохранения гармонического равновесия и является основой пластичности фигуры.

Нарушения равновесия и связанные с этим наклон, падения или бросок тела автоматически используются человеком при движениях. Если человек поднимается со стула, он нарушает равновесие наклоном туловища вперед, и это помогает ему подняться. Наклон вперед при подъеме на лестницу или в гору помогает подъему. При беге и прыжках наклон и падение туловища вперед усиливают движение. При рубке дров, метании копья умелый рывок туловища дает больший эффект, чем мышечная работа рук. Если в рукопашном бою (боксе) боец с размахом всего туловища, т. е., использовав потерю равновесия, нанесет удар противнику, он должен для восстановления равновесия попасть в него, т. е. встретить сопротивление. Если же он не попал в противника, то упадет, или для сохранения равновесия должен быстро переступить ногами в направлении удара.

Конечно, художник не может точно определять местоположение и перемещение центра тяжести. Надо лишь иметь ясное представление об этом и, наблюдая и работая над натурой, вырабатывать в себе ощущение соразмерности и пластичности фигуры.

Вертикальное положение тела человека, перемещение его в пространстве, различные виды движений (ходьба, бег, прыжки) сложились в процессе длительной эволюции вместе со становлением человека как вида. В процессе антропогенеза, в связи с переходом предков человека к наземным условиям существования, а затем и к перемещению на двух (нижних) конечностях существенно изменилась анатомия всего организма, отдельных его частей, органов, включая и опорно-двигательный аппарат. Прямохождение освободило верхнюю конечность от опорно-двигательной функции. Верхняя конечность превратилась в орган труда - руку и в дальнейшем могла совершенствоваться в ловкости движений. Эти изменения как результат качественно новой функции отразились на строении всех составных частей пояса и свободного отдела верхней конечности. Плечевой пояс служит не только опорой свободной верхней конечности, он значительно увеличивает ее подвижность. Благодаря тому что лопатка соединяется со скелетом туловища главным образом при помощи мышц, она приобретает большую свободу движений. Лопатка участвует во всех движениях, которые совершает ключица. Кроме того, лопатка может свободно перемещаться независимо от ключицы. В многоосном шаровидном плечевом суставе, который почти со всех сторон окружен мышцами, анатомические особенности строения позволяют производить движения по большим дугам во всех плоскостях. Особенно заметно специализация функций отразилась на строении кисти. Благодаря развитию длинных, очень подвижных пальцев (в первую очередь большого пальца) кисть превратилась в сложный орган, выполняющий тонкие, дифференцированные действия.

Нижняя конечность, приняв на себя всю тяжесть тела, приспособилась исключительно к опорно-двигательной функции. Вертикальное положение тела, прямохождение отразились на строении и функциях пояса (таза) и свободного отдела нижней конечности. Пояс нижних конечностей (тазовый пояс) как прочная арочная конструкция приспособился к передаче тяжести туловища, головы, верхних конечностей на головки бедренных костей. Установившийся в процессе антропогенеза наклон таза на 45-65° способствует перенесению на свободные нижние конечности тяжести тела в наиболее благоприятных для вертикального положения тела биомеханических условиях. Стопа приобрела сводчатое строение, что увеличило ее способность противостоять тяжести тела и выполнять роль гибкого рычага при его перемещении. Сильно развилась мускулатура нижней конечности, которая приспособилась к выполнению статических и динамических нагрузок. По сравнению с мышцами верхней конечности мышцы нижней конечности имеют большую массу.

На нижней конечности мышцы имеют обширные поверхности опоры и приложения мышечной силы. Мышцы нижней конечности крупнее и сильнее, чем верхней конечности. На нижней конечности разгибатели развиты больше, чем сгибатели. Это связано с тем, что разгибатели играют большую роль в удержании тела в вертикальном положении и при передвижении (ходьба, бег).

На руке сгибатели плеча, предплечья и кисти сосредоточены на передней стороне, поскольку работа, производимая руками, совершается впереди туловища. Хватательные движения производятся кистью, на которую действует большее число сгибателей, чем разгибателей. Поворачивающих мышц (пронаторы, супинаторы) у верхней конечности также больше, чем у нижней. У верхней конечности они развиты намного лучше, чем у нижней. Масса пронаторов и супинаторов руки относится к остальным мышцам верхней конечности как 1:4,8. У нижней конечности отношение массы поворачивающих мышц к остальным равно 1:29,3.

Фасции, апоневрозы у нижней конечности в связи с большим проявлением силы при статических и динамических нагрузках развиты значительно лучше, чем у верхней конечности. У нижней конечности имеются дополнительные механизмы, которые способствуют удержанию тела в вертикальном положении и обеспечивают передвижение его в пространстве. Пояс нижней конечности почти неподвижно соединен с крестцом и представляет собой естественную опору туловища. Стремлению таза опрокинуться кзади на головках бедренных костей препятствуют сильно развитая подвздошно-бедренная связка тазобедренного сустава и сильные мышцы. Кроме того, вертикаль тяжести тела, проходящая впереди поперечной оси коленного сустава, механически способствует удержанию коленного сустава в разогнутом положении.

На уровне голеностопного сустава при стоянии увеличивается площадь соприкосновения между суставными поверхностями костей голени и таранной кости. Этому способствует тот факт, что медиальная и латеральная лодыжки охватывают передний, более широкий отдел блока таранной кости. Кроме того, фронтальные оси правого и левого голеностопных суставов устанавливаются друг к другу под углом, открытым кзади. Вертикаль тяжести тела проходит кпереди по отношению к голеностопным суставам. Это приводит как бы к ущемлению переднего, более широкого отрезка блока таранной кости между медиальной и латеральной лодыжками. Суставы верхней конечности (плечевой, локтевой, лучезапястный) таких тормозных механизмов не имеют.

Глубоким изменениям в процессе антропогенеза подверглись кости, мышцы туловища, особенно осевого скелета - позвоночного столба, который является опорой для головы, верхних конечностей, органов грудной и брюшной полостей. В связи с прямохождением образовались изгибы позвоночника, развилась мощная дорсальная мускулатура. Кроме того, позвоночник практически неподвижно соединен в парном прочном крестцово-подвздошном сочленении с поясом нижних конечностей (с тазовым поясом), который в биомеханическом отношении служит распределителем тяжести туловища на головки бедренных костей (на нижние конечности).

Наряду с анатомическими факторами - особенностями строения нижней конечности, туловища, выработанными в процессе антропогенеза для поддержания тела в вертикальном положении, обеспечения устойчивого равновесия и динамики, особое внимание должно быть уделено положению центра тяжести тела.

Общим центром тяжести (ОЦТ) человека называют точку приложения равнодействующих всех сил тяжести частей его тела. Согласно данным М.Ф.Иваницкого, ОЦТ располагается на уровне I-V крестцовых позвонков и проецируется на переднюю поверхность тела выше лобкового симфиза. Положение ОЦТ по отношению к продольной оси тела и позвоночного столба зависит от возраста, пола, костей скелета, мышц и отложений жира. Кроме того, наблюдаются суточные колебания положения ОЦТ в связи с укорочением или удлинением позвоночного столба, которые возникают из-за неравномерных физических нагрузок днем и ночью. У пожилых и старых людей положение ОЦТ зависит также от осанки. У мужчин ОЦТ располагается на уровне III поясничного - V крестцового позвонков, у женщин - на 4-5 см ниже, чем у мужчин, и соответствует уровню от V поясничного до I копчикового позвонка. Это зависит, в частности, от большего, чем у мужчин, отложения подкожного жира в области таза и бедер. У новорожденных ОЦТ находится на уровне V-VI грудных позвонков, а затем постепенно (до 16-18 лет) опускается вниз и перемещается несколько кзади.

Положение ОЦТ тела человека зависит также от типа телосложения. У лиц долихоморфного типа телосложения (у астеников) ОЦТ располагается относительно ниже, чем у лиц брахиморфного типа телосложения (у гиперстеников).

В результате исследований было установлено, что ОЦТ тела человека находится обычно на уровне II крестцового позвонка. Отвесная линия центра тяжести проходит на 5 см позади поперечной оси тазобедренных суставов, примерно на 2,6 см кзади от линии, соединяющей большие вертелы, и на 3 см кпереди от поперечной оси голеностопных суставов. Центр тяжести головы располагается немного кпереди от поперечной оси ат-лантозатылочных суставов. Общий центр тяжести головы и туловища находится на уровне середины переднего края X грудного позвонка.

Для сохранения устойчивого равновесия тела человека на плоскости необходимо, чтобы перпендикуляр, опущенный из его центра тяжести, падал на площадь, занимаемую обеими ступнями. Тело стоит тем прочнее, чем шире площадь опоры и чем ниже расположен центр тяжести. Для вертикального положения тела человека сохранение равновесия является главной задачей. Однако, напрягая соответствующие мышцы, человек может удержать тело в различных положениях (в известных пределах) даже тогда, когда проекция центра тяжести выведена за пределы площади опоры (сильный наклон туловища вперед, в стороны и т.д.). Вместе с тем стояние и передвижение тела человека нельзя считать устойчивыми. При относительно длинных ногах человек имеет сравнительно небольшую площадь опоры. Поскольку общий центр тяжести тела у человека расположен сравнительно высоко (на уровне II крестцового позвонка), а опорная площадь (площадь двух подошв и пространства между ними) незначительна, устойчивость тела очень невелика. В состоянии равновесия тело удерживается силой мышечных сокращений, что предотвращает его от падения. Части тела (голова, туловище, конечности) при этом занимают соответствующее каждой из них положение. Однако если будет нарушено соотношение частей тела (например, вытягивание рук вперед, сгибание позвоночника при стоянии и т.д.), то соответственно изменяются положение и равновесие других частей тела. Статические и динамические моменты действия мускулатуры находятся в прямой связи с положением центра тяжести тела. Поскольку центр тяжести всего тела располагается на уровне II крестцового позвонка позади поперечной линии, соединяющей центры тазобедренных суставов, стремлению туловища (вместе с тазом) опрокинуться назад противостоят сильно развитые мышцы и связки, укрепляющие тазобедренные суставы. Так обеспечивается равновесие всей верхней части тела, удерживающейся на ногах в вертикальном положении.

Стремление тела упасть вперед при стоянии обусловлено прохождением вертикали центра тяжести впереди (на 3-4 см) от поперечной оси голеностопных суставов. Падению противостоят действия мышц задней поверхности голени. Если отвесная линия центра тяжести переместится еще дальше кпереди - к пальцам, то сокращением задних мышц голени пятка приподнимается, отрывается от плоскости опоры, отвесная линия центра тяжести перемещается вперед и опорой служат пальцы стопы.

Кроме опорной, нижние конечности выполняют локомоторную функцию, перемещая тело в пространстве. Например, при ходьбе тело человека совершает поступательное движение, попеременно опираясь то на одну, то на другую ногу. При этом ноги поочередно совершают маятникообразные движения. При ходьбе одна из нижних конечностей в определенный момент является опорой (задней), другая - свободной (передней). При каждом новом шаге свободная нога становится опорной, а опорная выносится вперед и делается свободной.

Сокращение мышц нижней конечности при ходьбе заметно усиливают изогнутость подошвы стопы, увеличивают кривизну ее поперечного и продольных сводов. Одновременно в этот момент туловище несколько наклоняется вперед вместе с тазом на головках бедренных костей. Если первый шаг начат правой ногой, то правая пятка, затем середина подошвы и пальцы поднимаются над плоскостью опоры, правая нога сгибается в тазобедренном и коленном суставах и выносится вперед. Одновременно тазобедренный сустав этой стороны и туловище следуют вперед за свободной ногой. Эта (правая) нога энергичным сокращением четырехглавой мышцы бедра выпрямляется в коленном суставе, касается поверхности опоры и становится опорной. В этот момент другая, левая нога (до этого момента задняя, опорная) отрывается от плоскости опоры, выносится вперед, становясь передней, свободной ногой. Правая нога в это время остается позади в качестве опорной. Вместе с нижней конечностью и тело передвигается вперед и несколько вверх. Так обе конечности поочередно проделывают одни и те же движения в строго определенной последовательности, подпирая тело то с одной, то с другой стороны и толкая его вперед. Однако во время ходьбы не бывает момента, чтобы обе ноги были одновременно оторваны от поверхности земли (плоскость опоры). Передняя (свободная) конечность всегда успевает коснуться плоскости опоры пяткой раньше, чем задняя (опорная) нога полностью отделится от нее. Этим ходьба отличается от бега и прыжков. Вместе с тем при ходьбе присутствует момент, когда обе ноги одновременно касаются земли, причем опорная - всей подошвы, а свободная - пальцами. Чем быстрее ходьба, тем короче момент одновременного прикосновения обеих ног к плоскости опоры.

Прослеживая при ходьбе изменения положения центра тяжести, можно отметить движение всего тела вперед, вверх и стороны в горизонтальной, фронтальной и сагиттальной плоскостях. Наибольшее смещение происходит вперед в горизонтальной плоскости. Смещение вверх и вниз составляет 3-4 см, а в стороны (боковые качания) - 1-2 см. Характер и степень этих смещений подвержены значительным колебаниям и зависят от возраста, пола и индивидуальных особенностей. Совокупность этих факторов обусловливает индивидуальность походки, которая может изменяться под влиянием тренировки. В среднем длина обычного спокойного шага составляет 66 см и занимает время 0,6 с.

Биомеханика – это наука, изучающая механические явления в живых системах. К этим явлениям относятся и движения человека.

Биомеханика спорта изучает движения человека в процессе физических упражнений. Одна из основных задач биомеханики спорта – совершенствование движений спортсмена, спортивной техники. Цель биомеханики – объединить механические и биологические знания о движениях человека для установления основных закономерностей формирования и развития двигательной деятельности. В движениях человека биомеханика изучает особенности перемещения в пространстве и во времени, особенности сохранений положений тела при двигательных действиях, а также механические и биологические причины возникновения движений, способы и особенности выполнения движения в различных условиях и их эффективность. Биомеханика позволяет понять общие закономерности построения и управления движениями, выявить причины двигательных ошибок и отыскать пути их устранения, конструировать технику спортивных движений.

Основная цель выполнения учебно-исследовательских и самостоятельных работ по биомеханике – помочь студентам приобрести практические навыки в системном анализе физических упражнений.

Работа с данным сборником предусматривает:

расчет биомеханических характеристик;

анализ связей биомеханических характеристик в целостной системе движений;

биомеханическую и педагогическую оценку упражнений;

выполнение комплекса заданий для самостоятельной работы с целью более глубокого изучения дисциплины и закрепления основных знаний по биомеханике.

При выполнении учебно-исследовательских работ следует помнить, что производимые в них расчеты не являются самоцелью, а должны служить средством анализа движений и их общей оценки. Поэтому окончательным итогом работы должны быть выводы, основанные на результатах расчетов биомеханических характеристик и анализе их взаимосвязей.

Лабораторная работа № 1

Определение общего центра тяжести графическим способом .

Задачи: 1) Рассмотреть основные характеристики поступательного движения. Масса, вес, сила; их определения, способы вычисления и единицы измерения.

2) Научится определять положения центров тяжести звеньев тела человека.

3) Определить положение общего центра тяжести (ОЦТ) тела человека по заданной позе путем сложения параллельных сил тяжести.

Теоретические сведения. При выполнении многих физических упражнений и спортивных движений человеку необходимо сохранять неподвижное положение тела: например, как исходное (стартовое) положение; как промежуточное (всевозможные висы, упоры, стойки в гимнастике); как конечное (фиксация штанги на вытянутых руках). При этом тело человека как биомеханическая система находится в равновесии, степень устойчивости которого характеризует положение ОЦТ тела спортсмена. Другими словами по положению ОЦТ тела человек оценивают различные статические положения.

Чтобы раскрыть причины изменения движений, механизм движений используют динамические характеристики. К ним относят инерционные характеристики (особенности самих движущихся тел) и силовые (особенности взаимодействия тел). От инерционных характеристик зависит сохранение и изменение скорости. Все физические тела обладают свойством инертности (или инерции), которое проявляется в сохранение движения, а также в особенности его изменения под действием сил. Мерой инертности тела при поступательном движении является его масса. Для решения ряда задач необходимо знать какова величина массы тела, так как она характеризует, как именно приложенная сила может изменить движение тела.

Масса – это мера инертности при поступательном движении . Она изменяется отношением приложенной силыF к вызываемому ею ускорениюа и измеряется в килограммах:m =F /а; [ m ] – кг.

По закону всемирного тяготения все тела на Земле испытывают силу ее притяжения, которая направлена к центру Земли и называется силой тяжести. По величине сила тяжести равна массе тела, помноженной на ускорение сводного падения.

Сила тяжести тела – это мера его притяжения к Земле (с вычетом влияния вращения земли). Измеряется в ньютонах:G = mg ; [ G ] – H .

Когда тело покоится на опоре (или подвешено), сила тяжести, приложенная к телу, прижимает его к опоре (или отрывает от подвеса). Это действие тела на опору измеряется весом тела Р .

Вес тела (статический) – это мера воздействия в покое на покоящуюся же опору (подвес), препятствующую его падению. Он равен произведению массы телаmна ускорение свободного паденияg и измеряется в ньютонах : P = mg ;

[ P ] – H .

Сила тяжести и вес тела – не одна и та же сила. Вес тела приложен к опоре, а сила тяжести к телу.

Мерой механического воздействия одного тела на другое является сила. Сила, приложенная к телу, вызывает изменение его механического состояния. Если изменение механического состояния тела выражается в изменение скорости, то говорят о динамическом действии силы. Статическое механическое воздействие выражается в деформации тел.

Сила – это мера механического воздействия одного тела на другое в данный момент времени. Числено она определяется произведением массы тела на его ускорение, вызванного данной силой, и измеряется в ньютонах:F = ma ; [ F ] – H .

Сила – величина векторная. Силы как векторы можно складывать, вычитать, умножать. На рисунке 1 сложите вектор F 1 иF 2 , F 3 иF 4 , F 5 и F 6 .

Чаще всего говорят о силе и результате ее действия применительно только к простейшему поступательному движению тела. Все движения частей тела человека - вращательные, для их описания вводятся понятие момента силы М .

Момент силы – это мера вращательного действия силы на плечо . Он определятся произведением силы на ее плечоd : M = Fd ; [ M ] – H м.

Плечо силы – это расстояние от центра момента (точки, относительно которой определяется момент силы) до линии действия силы. Таким образом, плечо силы - это перпендикуляр, опущенный из точки через которую проходит ось вращения, на линию действия силы.На рисунке 2 схематично изобразите руку, нарисуйте линии действия сил тяжести звеньев и тяги мышц, обозначьте точки вращения звеньев и определите плечи сил.

Тело человека это – система подвижно соединенных звеньев. На каждое звено тела человека действует сила тяжести звена, направленная вертикально вниз. Если силы тяжести звеньев обозначить соответственно G1,G2, …Gn, то равнодействующая этих параллельных силGтела и модуль (величина) этой силы будут равны:

G тела = G 1 + G 2 +… +Gn =  i

i=1

При любом повороте тела силы остаются, приложены в одних и тех же точках звеньев и сохраняют своё вертикальное направление, оставаясь параллельными друг другу. Следовательно, и равнодействующая сил тяжести звеньев тела будет при любых положениях тела проходить через одну и ту же точку тела.

Точка, через которую проходит линия действия равнодействующей элементарных сил элементарных сил тяжести при любом повороте тела в пространстве, являясь центром параллельных сил тяжести, называется ОЦТ твердого тела.

Так как тело человека не является неизменным твердым телом, а представляет собой систему подвижных звеньев, то положение ОЦТ будет определяться главным образом позой человека и изменяться с изменением позы. Говоря об ОЦТ тела человека, следует иметь в виду не геометрическую точку, а некоторую область пространства, в которой эта точка перемешается. Это перемещение обусловлено процессами дыхания, кровообращения, пищеварения, мышечного тонуса и т.д., т.е. процессами, приводящими к постоянному смещению ОЦТ тела человека. Ориентировочно можно считать, что диаметр сферы, внутри которой происходить перемещение ОЦТ, в спокойном состоянии, составляет 10-20 мм. В процессе движения смещение ОЦТ может значительно увеличиваться и этим оказывать влияние на технику выполнения упражнений.

ОЦТ всего тела – это воображаемая точка, к которой приложена равнодействующая сил тяжести всех звеньев тела . При основной стойке он расположен в области малого таза, впереди от крестца.

Опытным путем были определены средние данные средние данные о весе звеньев тела и положении их центров тяжести (табл.1.). Если принять вес тела за 100% , то вес каждого звена может быть выражен в относительных единицах (%). При выполнение расчетов не обязательно знать ни вес всего тела, ни каждого его звена в абсолютных единицах. Центр тяжести звена определяют по расстоянию от него до оси проксимального сустава – по радиусу центра тяжести. Его выражают относительно длины всего звена, принятой за единицу, считая от проксимального сочленения. Зная вес звеньев и радиусы центров тяжести, можно приближенно определить положение ОЦТ всего тела.