Общие понятия
Движения человека в значительной мере зависят от того, каково строение его тела и каковы его свойства. Чрезвычайная сложность строения и многообразие свойств тела человека, с одной стороны, делают очень сложными и сами движения и управление ими. Но, с другой стороны, они обусловливают необычайное богатство, разнообразие движений, до сих пор недоступное в полном объеме ни одной, самой совершенной, машине.
Биомеханика — наука, изучающая механические движения самих биологических тел и в этих биологических телах. Однако тело человека и сверхсложный управляющий орган — нервная система — делают анализ всей системы движений чрезвычайно сложным и трудоемким. Кроме того, при изучении движений человека и причин, их вызывающих, было бы неправильно ограничиваться только представлениями механики. Необходимо иметь в виду биологическую природу «механизмов» человеческого тела. Анализ деятельности двигательного аппарата с биологической точки зрения позволяет вскрыть своеобразие устройства и принципа действий «живых механизмов». Главнейшие биологические особенности, отличающие двигательный аппарат животных и человека от неживых технических механизмов, состоят в следующем: 1. Аппарат движения животных существ построен из живых тканей и органов, в которых постоянно, в том числе и в покое, происходит обмен веществ. Химические превращения молекул, вступающих в разнообразные реакции с другими органическими и неорганическими веществами, являются сутью внутриклеточного обмена веществ и специ-фической рабочей деятельности клеток (например, сократительной). В связи с этим становится понятной чрезвычайная зависимость строения и функции клеток и органов от их рабочего использования, от интенсивности протекающего в них обмена веществ. Для поддержания тканей и органов двигательного аппарата в состоянии высокой рабо-тоспособности необходимо их постоянное и должное использование. Морфологическое и функциональное совершенствование под влиянием работы и деградация при бездеятельности являются важной особенностью двигательного аппарата животных и человека. 2. В технической машине производимые ею движения предопределены раз и навсегда самой формой сочленений между движущимися частями. Напротив, двигательный аппарат человека построен так, что из одних и тех же структурных единиц (костей, суставов, связок, мышц) может быть образовано множество различных механизмов с различными рабочими заданиями, разными скоростями и траекториями движения. 3. Двигательная деятельность животных и человека, в том числе произвольная, представляет собой систему безусловных и условных рефлексов на раздражения из внешнего и внутреннего мира, действующих в данное время или действовавших ранее и сохранившихся в нервных центрах в виде следов.
Таким образом, двигательная деятельность обеспечивается не только работой собственно двигательного аппарата, но и работой органов чувств и центральной нервной системы. Многообразное использование одних и тех же структур двигательного аппарата обеспечивается способностью рефлекторного механизма к образованию временных связей. Происходит непрерывное приспособление движений к текущим условиям среды, т. е. «уравновешивание» организма со средой.
Все двигательные действия человека и животных выполняются в результате напряжений и расслаблений мышц, которые вызваны нервными импульсами, поступающими к мышцам по двигательным нервам.
Но для многих исследовательских целей и не нужен такой всеобъемлющий анализ. Отвлекаясь от деталей анатомического строения и физиологических механизмов управления двигательным актом, рассматривается упрощенная модель тела человека —- биомеханическая система. Она обладает всеми основными свойствами, существенными для выполнения двигательной функции.
Таким образом, биомеханическая система — это копия, упрощенная модель тела человека, на которой можно изучать закономерности движений.
С точки зрения механики, двигательный аппарат человека представляет собой механизм, состоящий из сложной системы рычагов, приводимых в действие мышцами.
Первым шагом от понятий анатомических к механическим является представление о биокинематической паре. Биокинематическая пара — это подвижное (кинематическое) соединение двух костных звеньев, в котором возможности движений определяются его строением и управляющим воздействием мышц. В технических механизмах соединение двух звеньев — кинематические пары — устроены обычно так, что возможны лишь определенные, заранее заданные движения. Одни возможности не ограничены (их характеризуют степени свободы тела) , другие полностью ограничены (их характеризуют степени связи).
Под степенями свободы понимают независимые перемещения тела или его частей в пространстве. Эти независимые перемещения могут носить либо поступательный характер, либо вращательный (простые формы механического движения). В случае сложного (составного) движения его всегда раскладывают на составляющие простые формы. Поступающим понимают движение, при котором линия, мысленно проведенная в теле, перемещается параллельно самой себе. А при вращательном движении все точки тела описывают окружности, центры которых находятся на одной прямой, называемой осью вращения. Например, если у физического тела нет никаких ограничений (связей), оно может двигаться в пространстве относительно трех взаимно перпендикулярных осей (поступательно), а также вокруг них (вращатель-но). Следовательно, у такого тела шесть (3+3) степеней свободы. Каждая связь уменьшает число степеней свободы. Зафиксировав одну точку свободного тела, сделав его звеном биокинематической пары, можно сразу лишить его трех степеней свободы — возможных линейных перемещений вдоль трех основных осей координат. Почти во всех суставах (кроме межфаланговых, лучелоктевых и атлан-тоосевого) степеней свободы больше чем одна. Поэтому устройство пассивного аппарата в них обусловливает неопределенность движений, множество возможных перемещений («неполносвязный механизм»). Управляющие воздействия мышц формируют дополнительные связи и остав-ляют для движения только одну степень свободы («полносвязный механизм»). Так обеспечивается одна-единственная возможность движений — именно та, которая требуется. Множество степеней свободы биокинематической пары в многоосных суставах требует для выполнения каждого определенного движения: а) выбора необходимой траектории, б) управления движением по траектории (направлением и величиной скорости), в) регуляции движения, понимаемой как борьба с помехами, сбивающими с траектории. Биокинематические пары, соединяясь последовательно или параллельно, образуют биокинематические цепи. Биокинематическая цепь, в которой конечное звено свободно, называется незамкнутой. Например, свободные конечности, когда их концевые звенья свободны.
Если в биокинематической цепи нет свободного конечного звена, то она является замкнутой (например, два противника, сцепившиеся в захвате друг с другом).
В замкнутой или незамкнутой цепи невозможно одиночное, изолированное движение, т. е. движение в одном соединении. Так, сгибая и разгибая ногу для удара, можно убедиться в том, что движение в любом суставе непременно вызывает движение в других. Таким образом, в замкнутых цепях возможностей движений меньше, но управление ими точнее, чем в незамкнутых.
Рассматривая тело человека как сложный биомеханизм, кости как жесткие звенья, а суставы как кинематические пары определенных классов, для всего человека имеем: • подвижных костей—148, • суставов с 3-мя степенями свободы — 29, • суставов с 2-мя степенями свободы — 33, • суставов с 1-й степенью свободы — 85, • всего степеней свободы для всего биомеханизма — 244. Понятие «кинематическая цепь» перенесено в биомеханику из технической механики, где применяется для описания и анализа кинематики механизмов. Под кинематикой понимают внешнюю картину движения, происходящего в пространстве и во времени. Соответственно и в биомеханике оно применимо для изучения и анализа кинематики опорно-двигательного аппарата, т. е. в процессе рассмотрения линейных и угловых перемещений, скоростей, ускорений звеньев тела — относительных и абсолютных (в выбранной системе отсчета).
В тех же случаях, когда представляет интерес динамика движений, развиваемые моменты суставных сил и силы взаимодействия звеньев тела между собой и с другими телами, когда анализируются силовые и энергетические возможности двигательного аппарата, понятие «биокинематическая цепь» уже не может удовлетворять. Здесь вводится понятие «динамическая цепь», обозначающее систему последовательно или параллельно соединенных силовых звеньев.
Под динамикой понимают сущность движения, его причины: прежде всего силовые и масс-инерционные характеристики. Как биокинематические, так и биодинамические цепи могут быть последовательными (простыми) и разветвленными. Однако для динамических цепей понятие «замкнутая» лишено целесообразности, так как оно означает лишь наложение новых динамических (силовых) факторов, т. е. не вносит ничего принципиально нового.
Функциональные характеристики одинаковых силовых звеньев у разных людей неодинаковы. Это связано с различиями в росте, конституции, массе и физическом развитии. В связи с этим наиболее целесообразная структура заданного движений очень часто индивидуальна, т. е. отличается от общепринятой структуры движения, определяемой рациональной техникой управления. В основе этого лежит стремление компенсировать функциональную недостаточность одних звеньев за счет функциональной избыточности других звеньев динамической цепи. Компенсация осуществляется за счет: • изменения нагрузки на силовые звенья; • перераспределения скоростей движений звеньев. Движения звеньев — суставные движения — совершаются в результате наличия суставных моментов. Механическое движение биологических тел называют двигательным действием. Для того чтобы количественно оценить двигательное действие, в том числе рассчитать суставные моменты, следует перейти к механическому представлению о рычаге.