Лекция №4. Свойства биомеханической системы

1. Строение биомеханической системы.

2. Свойства биомеханической системы.

3. Звенья биокинематических цепей.

4. Механизмы соединений.

5. Мышечные синергии.

6. Энергетическое обеспечение движений.

7. Приспособительная активность.

Опорно-двигательный аппарат — это управляемые биокинематические цепи (звенья и их соединения), оснащенные группами мышц. Вместе они выполняют задаваемые движения как биомеханизм.

Строение биомеханической системы

Самой характерной чертой строения биомеханической системы считается его переменный характер, т.к. число движущихся звеньев, и степени свободы движений, и состав мышечных групп, и их взаимодействия переменны.

Биокинематические цепи опорно-двигательного аппарата состоят из подвижно соединенных звеньев (твердых, упругих и гибких) и отличаются их переменным составом, своей длиной и формой (составные рычаги и маятники).

Фиксирование суставов (блокада) и их освобождение (снятие динамических связей — тяги мышц) изменяют число движущихся звеньев в цепи. Она может превратиться как бы в одно звено или сохранять движение в части сочленений или во всех сочленениях.

Многозвенные маятники имеют переменную длину, т.к. расстояние по прямой от проксимального сочленения до конца открытой цепи при ее сгибании-разгибании изменяется. Это влияет на величину инертного сопротивления (изменения момента инерции).

Биокинематические цепи, замыкаясь геометрически (связыванием между собой концевых звеньев), изменяют свои свойства (передача усилий, возможности управления). В частности, возникают составные рычаги со сложной передачей тяг многосуставных мышц. Твердые Звенья (кости), упругие (мышцы) и гибкие (связки, сами мышцы и их сухожилия), изменяя степень и характер своего участия в движениях, обеспечивают многообразные возможности движений.

Свойства биомеханической системы позволяют регулировать подвод и расход энергии и управлять движениями в переменных условиях при смене двигательных задач.

Биомеханическая система характеризуется:

1.двигательной деятельностью,

2.энергообеспечением двигательной деятельности

3.управлением двигательными действиями.

При движениях в биомеханической системе происходят деформации:

Позная - перемена позы как взаимного расположения звеньев под действием внутренних и внешних сил; Позная деформация и есть, собственно говоря, те движения, которые необходимы для решения двигательной задачи. На работу по перемещению звеньев тела энергия затрачивается эффективно.

Мышечная — изменения длины и поперечника мышц при их сокращении и растягивании, напряжении и расслаблении (изменения сократительных и упругих элементов при возбуждении и нагрузках);

Внутренняя — смещение мягких и жидких тканей при ускорениях, что вызывает появление внутренних сил инерции и трения.

Биомеханические системы получают механическую энергию благодаря приложению внешних сил, а также в результате превращения в мышцах внутренней химической энергии в механическую.

Приспособительная активность биомеханической системы.

Приспособительная активность в переменных условиях обусловливает эффективность движений благодаря соответствию нервных импульсов из центральной нервной системы внешнему окружению, начальным условиям движений (тяге мышц, положению и скорости звена), состоянию организма и двигательной задаче (обоснование отягощений).

На биомеханическую систему может воздействовать множество окружающих тел (снаряды, отягощения, партнеры, противники), опора и среда (воздушная, водная). Все эти воздействия (внешние силы) обычно не остаются постоянными, они переменны по своей величине, направлению и месту приложения.

Пассивные внутренние сопротивления также изменчивы. Это относится к силам упругим, вязким, инерционным, трения, реакциям опоры и др. Особенно велики и переменны по величине и направлению инерционные реактивные силы (центробежные при вращательном движении, инерционное сопротивление и напор звеньев при их разгоне и торможении).

Таким образом, переменные мышечные силы действуют в переменных условиях внешнего воздействия и внутренних сопротивлений, возникающих в самой биомеханической системе.

Запаздывание эффекта

В биомеханической системе всегда имеют место обусловленные механическими и биологическими причинами запаздывания механического эффекта в ответ на воздействия.

В абсолютно твердом теле ускорение всего тела, всех его частиц возникает в момент приложения силы. В упругом же теле механический эффект передается всем его частицам лишь с течением времени. В системе тел с упругими связями движение не может мгновенно передаться всем звеньям. Скорость деформации обусловлена упругостью, вязкостью, расположением звеньев тела в суставах, приложенными силами и другими причинами. Все эти факторы в движениях переменны.

Регистрация электромиограмм и усилий мышцы всегда показывает расхождение во времени между электрической активностью мышцы и ее напряжением. Например, при растягивании мышцы в ней возникает упругое напряжение, а токи действия запаздывают; или при выключении мышцы токи действия прекращаются, а упругое напряжение еще остается.

Физиологические явления запаздывания реакции: нервный импульс не передается мгновенно (предел скорости передачи возбуждения, задержка проведения импульса в синапсах, изменение проводимости и др.).

Запаздывания механического эффекта не исключают того, что благодаря сигнальному значению раздражителей организм заранее подготавливается к будущему воздействию, опережает его.

Неоднозначность нервного импульса и движения

Определенный эффект движения возможен лишь в том случае, если импульс из центральной нервной системы будет соответствовать начальным условиям движения — напряжению мышц, положению и скорости звена.

Согласно упрощенному и неправильному представлению, каков нервный импульс, исходящий из центральной нервной системы, таково и напряжение мышцы и, следовательно, таково и движение. Такая точка зрения предполагает, что связи между импульсом, напряжением мышцы и движением всегда однозначны. В действительности же связи между ними сложнее.

Возбуждение мышцы и ее напряжение связаны неоднозначно: напряжение зависит не только от нервного импульса, но и от состояния мышцы (упругого напряжения при растягивании). Одинаковые импульсы вызывают в мышце, растянутой до разной длины неодинаковое напряжение. Имеют значение также быстрота предварительного растягивания и время, прошедшее с момента изменения длины мышцы.

Напряжение определенной мышцы — не единственная причина изменения движения звена. Все силы, приложенные к звену, в своей совокупности определяют изменение движения (ускорение) звена.

Особенности режима движений биомеханической системы

Под режимом движений понимаются условия, в которых осуществляется двигательная деятельность человека: например, статический режим — при сохранении положения, динамический (уступающий и преодолевающий) — при смене положений тела. Создание соответствующих условий обеспечивается рациональным использованием возможностей биомеханической системы. Применяя определенный режим движений, можно добиться высокого эффекта в решении поставленной двигательной задачи. В движениях человека большое распространение, особенно в спортивных упражнениях, имеет колебательный режим.

Колебательный режим в движениях

Колебания — это многократные повторения движений через определенные промежутки времени.

Колебательный режим характеризуется повторяющейся сменой направления движения. Например, маятник качается вправо-влево, волна движется вверх-вниз, мышца укорачивается и удлиняется, нога сгибается и разгибается и т. д. Подобное отклонение от равновесного состояния обусловлено действием возмущающей силы — она отклоняет движущийся объект до крайнего положения. По мере приближения к крайнему положению нарастает восстанавливающая сила, которая останавливает движение и направляет объект в сторону равновесия. В положении равновесия тело или звено не останавливается и продолжает двигаться к другому крайнему состоянию.

Принцип центробежного вектора моторных разверток – первыми начинают движение сочленения тела, ближайшие в структурной цепи к центру тяжести тела.

Принцип волны – шаг волны постепенно убывает по мере ее продвижения от опоры к цели, т.е. частота растет. При этом аналогичным образом уменьшается и амплитуда волны, что дает многократное увеличение скорости на конце волны. При этом происходит существенный прирост энергии.

Колебательный режим в движениях человека может иметь ряд вариантов:

а)колебания могут длиться долго, многократно повторяясь цикл за циклом, например ноги при беге сгибаются и разгибаются;

б)цикл может быть выполнен однократно, например приседание — выпрямление, замах — удар;

в)цикл может быть усеченным, например торможение звена и его разгон в обратном направлении (направление ускорения остается без изменения, но направление скорости меняется при возвратном движении).

Во всех приведенных случаях изменяется длина мышц: разгоняя звено, они укорачиваются, а тормозя его, растягиваются, как упругие ограничители. Направление движений сменяется на противоположное (реверсивное движение). При этом проявляется так называемый «буферный» эффект — кинетическая энергия, поглощенная растягиваемой мышцей, возвращается ею при возвратном движении (упругая отдача).

Повышение уровня энергии движения

Для повышения уровня энергии движения целесообразно использовать зону больших растягиваний мышц с переходом от уступающей к преодолевающей работе, обеспечив необходимую подготовку мышц и совершенствование техники движений.

Для того чтобы мышцы были способны более эффективно работать в реверсивном режиме (в переходном от растягивания к сокращению), надо в процессе тренировки:

а) увеличивать их растяжимость (движения с большим размахом);

б) повышать линейную упругость (жесткость или упругие силы при крайнем растягивании);

в) увеличивать быстроту нарастания напряжения (большой градиент силы по времени — взрывная сила);

г) снижать внутренние сопротивления (улучшать расслабление);

д) уточнять требования к технике спортивных упражнений, совершенствуя режим движений.