Что называется траекторией в биомеханике

Введение в биомеханику и биомеханические особенности строения тела человека

Основные понятия механики материальной точки

И твердого тела

Механика— это раздел физики, в котором изучают механическое движение материальных тел.

Механическое движение является простейшей формой движения материи, которое представляет собой изменение взаимного положения тел в пространстве и во времени.

Механика включает в себя три основных раздела: статику, кинематику и динамику.

В статике рассматривают условия равновесия материальных тел под действием приложенных сил. Кинематика изучает внешнюю картину движений. В динамике рассматривают причины возникновения и изменения движений. Остановимся на кратком изложении основных понятий кинематики и динамики.

Основные понятия кинематики

Поступательным называют такое движение тела, при котором все его точки двигаются одинаково, т. е. имеют одинаковые траектории и скорости. При вращательном движении различные точки тела двигаются по концентрическим окружностям, а точки, лежащие на оси вращения, остаются неподвижными.

В отличие от твердого тела материальная точка не имеет ни вращательного, ни поступательного движения, она может двигаться либо по прямолинейной, либо по криволинейной траектории.

Существуют различные системы отсчета (естественная, прямоугольная декартова, полярная, цилиндрическая и др.).

Напомним определения основных кинематических характеристик.

Между угловыми и линейными кинематическими характеристиками движущего тела существуют вполне определенные соотношения. Так, например, линейная скорость любой точки вращающегося твердого тела равна произведению угловой скорости на расстояние этой точки до оси вращения.

Основные понятия динамики

В отличие от кинематики динамика изучает причины возникновения и изменения движений, т. е. силы и моменты сил, действие которых либо сохраняет тела в неподвижном положении, либо изменяет их движение. Кроме того, в динамике рассматривается связь между свойствами материальных тел и характеристиками их движения, выраженная в соответствующих законах динамики.

Основными понятиями динамики являются сила, момент силы, масса, момент инерции тела и т. п.

Масса — это мера инертности тела в поступательном движении. Чем больше масса тела, тем труднее его заставить двигаться, а если оно двигалось, то его труднее остановить или изменить направление его движения.

Мерой инертности тела во вращательном движении является момент инерции. Eго величина определяется произведением массы тела на радиус инерции в квадрате. Радиус инерции характеризует распределение масс в теле относительно оси вращения. Как и масса, момент инерции тела показывает, насколько трудно или легко изменить его движение, нотолько в данном случае речь идет о вращательном движении тела.

В основе динамики лежат три основных закона.

Не менее важными динамическими характеристиками являются: импульс силы и импульс тела, механическая работа, мощность, энергия (кинетическая и потенциальная) и т.п. Связи между некоторыми из них настолько значимы, что получили статус самостоятельных законов. Среди них можно отметить закон сохранения импульса и кинетического момента, закон сохранения энергии и другие. Более подробные сведения об этих характеристиках можно получить в соответствующей литературе. Однако для

знакомства с основами некоторых разделов биомеханики рассмотренных выше характеристик будет вполне достаточно.

Введение в биомеханику и биомеханические особенности строения тела человека

Биомеханика— это наука, которая изучает механические явления в живых системах.

Живые системы и механические явления в них весьма многообразны. К живым системам относят: различные ткани тела человека (костная, мышечная, соединительная и др.), органы и системы (сердечно-сосудистая, дыхательная, скелетно-мышечная и др.), человек или группа людей и т. п. Механические явления также многообразны. К ним относятся: механические свойства тканей тела человека, механика движения крови по сосудам, механика родового акта и другие. Но чаще всего основным предметом исследования биомеханики является механическое движение животных, в том числе и человека.

Биомеханика, как научная область знаний, развивается в разных направлениях. Ее знания и методы широко используются в робототехнике, при изучении двигательных действий в условиях производства, в медицине, в космонавтике и т. п. Физическая культура и спорт также нуждаются в знаниях биомеханики.

Основными задачами спортивной биомеханики являются:

1. Изучение техники тренировочных и соревновательных спортивных упражнений.

2. Изучение строения и свойств двигательного аппарата человека.

3. Изучение двигательных способностей человека (силы, быстроты, выносливости и др.).

4. Биомеханическое обоснование конструкции тренажеров и требований по их
использованию в тренировочном процессе.

5. Биомеханические аспекты и профилактика спортивного травматизма.

6. Изучение индивидуальных и групповых особенностей движений и двигательных
возможностей человека.

Источник

Биомеханика движений человека

Что такое биомеханика?

Название включает в себя греческие слова bios — жизнь и mexane — механизм, рычаг. В отличие от традиционной механики, в которой рассматривается движение и взаимодействие предметов, биомеханика это наука, которая изучает и анализирует многогранные и разносторонние движения живых существ. В фитнесе, да и во всех видах спорта, особенно подвижных, биомеханика рассматривается и используется, как базовая наука и имеет большое значение. Основу биомеханики составляют физиология, геометрия, математика, анатомия и физика в разделе механики. Не меньше биомеханика связана с психологией и биохимией. Все варианты взаимодействия прикладных наук полезны и приносят ощутимую пользу.

Биомеханическая мускульная работа

Работа любой мышцы человеческого опорно-двигательного аппарата основаны на умении и возможности мышцы сокращаться. В момент мышечного сокращения сама мышца укорачивается, а обе точки крепления к костям сближаются одна относительно другой. Подвижная точка Insertion начинает приближаться к начальной неподвижной точке крепления Origin, так осуществляется движение данной конечности.

Если применить это качество и свойство мышечной материи к области фитнеса, то открывается возможность выполнения определенной механической работы (подъем штанги, перемещение конечности с гантелей), прилагая разную степень мышечного усилия. Мышечная сила в данном случае будет определяться площадью сечения мышечных волокон, или говоря простым языком площадью разреза мышцы в поперечнике. Размер мышечного сокращения определен длиной мышечного волокна. Соединения костей и взаимодействие с мышечными группами устроено в форме механического рычага, позволяющего выполнять простейшую работу по поднятию и передвижению предметов.

Механика учит нас, что чем дальше от оси будет приложена сила, тем выше кпд, ибо благодаря большому плечу рычага, работу можно выполнить с меньшими усилиями. Так и в биомеханике — если мышца крепится дальше от опорной точки, тем более выгодно будет использована ее сила. П.Ф. Лесгафт в этом смысле квалифицировал мышцы на сильные, имеющие крепление дальше от опорной точки и быстрые или ловкие, имеющие точку крепления вблизи опоры.

Мышечное движение всегда производится в двух противоположных направлениях. По этой причине для выполнения двигательного процесса вокруг одной опорной точки необходимо наличие двух мышц на противоположных сторонах одна от другой. Направления движения в биомеханике тоже получили свои определения: сгибание и разгибание, приведение и отведение, горизонтальное приведение и горизонтальное отведение, ротация медиальная и ротация латеральная.

Мышца, которая вызывает момент движения при сокращении и принимает на себя основную нагрузку, называется агонистом — Prime mover. Каждое сокращение мышцы-агониста приводит к полному расслаблению противоположной ей мышцы-антагониста. Если мы выполняем сгибание в локте, агонистом будет являться сгибатель локтя — бицепс, а антагонистом в этот момент будет разгибатель локтя — трицепс. После окончания движения обе мышцы будут уравновешивать друг друга, находясь в немного растянутом состоянии. Это явление называется мышечным тонусом. Мышцы, помогающие выполнять движение мышце-агонисту и действующие в одном с ним направлении, но испытывающие меньшую нагрузку и меньшую степень сокращения называются синергистами. Мышцы, обеспечивающие устойчивость и равновесие определенному суставу при выполнении движения, называются фиксаторами. Помимо фиксаторов значительную роль в тренировочном процессе выполняют мышцы стабилизаторы, которые работают в качестве элементов равновесия тела при смещении центра тяжести и увеличении общей силовой нагрузки. Кроме того мышцы стабилизаторы участвуют в повседневной жизни человека в обеспечении равновесного расположения частей тела относительно друг друга вне силовой тренировки.

В любой момент движения, кости образуют механические рычаги, следуя за мышечными командами.

Биомеханика выделяет три вида биомеханических рычагов:

Рассмотрим виды рычагов более подробно:

Рычаг 1 рода

В биомеханике он называется «рычагом равновесия». Поскольку точка опоры расположена между двумя точками приложения силы, рычаг еще называют «двуплечим». Такой рычаг нам демонстрирует соединения позвоночника и черепной коробки. Если вращающий момент силы, действующей на затылочную часть черепа равен вращающему моменту силы тяжести, действующему на переднюю часть черепа, и они имеют одинаковое плечо рычага, достигается равновесие. Нам удобно, мы не замечаем разнонаправленного действия, и мышцы не напряжены.

Рычаг 2 рода

В биомеханике он подразделяется на два вида. Название и действие этого рычага зависят от места расположения приложения нагрузки, но у рычагов обоих видов точка приложения силы точка приложения сопротивления находятся по одну сторону от точки опоры, поэтому оба рычага являются «одноплечими». Рычаг силы образуется при условии, что длина плеча приложения силы мышц длиннее плеча приложения силы тяжести (сопротивления). В качестве наглядного примера можно продемонстрировать человеческую стопу. Осью вращения здесь являются головки плюсневых костей, пяточная кость служит точкой приложения силы, а тяжесть тела образует сопротивление в голеностопном суставе. Здесь имеет место выигрыш в силе, за счет боле длинного плеча приложения силы и проигрыш в скорости. Рычаг скорости имеет более короткое плечо приложения мышечной силы, чем плечо силы противодействия (силы тяжести). Примером может служить работа мышц сгибателей в локтевом суставе. Бицепс крепится вблизи точки вращения (локтевой сустав) и с таким коротким плечом необходима дополнительная сила мышце сгибателю. Здесь имеет место выигрыш в скорости и ходе движения, но проигрыш в силе. Можно заключить, что чем ближе от места опоры будет крепиться мышца, тем короче будет плечо рычага, и тем значительнее будет проигрыш в силе.

При соединении двух костных пар образуется биокинетическая пара, характер движения в которой определяется строением костного сочленения (сустава), работой мышц, сухожилий и связок. Подвижность в суставе может зависеть от многочисленных факторов: пола, возраста, генетического строения, состояния ЦНС.

Для того чтобы оптимально и правильно принять исходное положения для выполнения упражнений необходимо напрямую руководствоваться знанием законов рычагов первого и второго типов. Если мы изменим положение конечности или туловища, то в свою очередь определенным образом изменится длина плеча рычага конечности или туловища. В любом случае всегда исходное положение выбирается таким образом, чтобы начальный период тренировки сопровождался менее нагрузочными положениями конечностей и корпуса. В дальнейшем, в зависимости от состояния и формы тренирующегося, можно постепенно увеличивать длину плеча рычага, для усиления воздействия на определенную мышечную группу. Увеличение силы противодействия одновременно с удлинением плеча рычага в свою очередь еще больше акцентирует внимание на укрепление силы конкретной мышечной группы или одной мышцы.

Для осуществления технически грамотного движения в момент выполнения упражнения, необходимо и важно знать, в каком направлении работает сустав, соединяющий активную мышечную группу. Здесь нам необходимо опять обратиться к анатомическим плоскостям. Виды и описание осей и плоскостей даны в разделе кинезиологии. Виды и названия суставов вы можете найти в разделе анатомии. Опорно-двигательный аппарат человека представляет собой различные костные сочленения, соединенные друг с другом посредством суставов. Тело человека может свободно перемещаться в шести направлениях: вперед и назад, вправо и влево, вверх и вниз. Определенная классификация суставов позволяет движения в этих направлениях.

Суставы трехосные — это самые подвижные суставы, они свободно обеспечивают движение в трех направлениях. Примером служат: соединения черепа и позвоночника, межпозвонковых дисков, плечевые суставы, лучевой и тазобедренный. Подобные суставы имеют шарообразную форму. Движения в этих суставах происходят в сагиттальной, корональной и трансверсальной плоскостях. В этих суставах тренирующийся имеет возможность выполнять все виды движений: сгибание и разгибание, приведение и отведение, горизонтальное приведение и отведение, медиальную и латеральную ротацию.

Суставы двухосные — обеспечивают движение в двух направлениях, менее подвижны. Они имеют форму эллипса или седла. Движения в этих суставах происходят в сагиттальной и корональной плоскостях. Примером служат суставы пальцев рук, лучезапястный сустав. Здесь возможны сгибание и разгибание, приведение и отведение.

Суставы одноосные — обеспечивают однонаправленное движение. Они имеют форму цилиндров и блоков. Примером служат плече локтевой, лучевой, коленный, голеностопный суставы. Движения возможны в сагиттальной плоскости и это сгибания и разгибания. В лучевом суставе возможна ротация латеральная (супинация) и ротация медиальная (пронация).

Несмотря на то, что многие крупные мышцы рассматриваются в анатомии как единое целое, различные части и отделы больших мышц могут осуществлять неодинаковые движения. В сгибании плеча, например, принимает участие Deltoid Anterior, в отведении плеча Middle Deltoid, а в разгибании Deltoid Posterior. Данные знания являются основой для составления индивидуальной программы тренировок, которую инструктор или тренер готовит для тренирующегося. Это позволяет грамотно осуществить подбор необходимых упражнений для воздействия на конкретную мышцу или мышечную группу.

В зависимости от того, какое исходное положение принимает тренирующийся, выполнение определенного упражнения может усложняться или облегчаться. Поэтому общая эффективность тренировки также зависит от исходного положения в выполнении упражнения. В фитнесе мы применяем следующие исходные положения: положение лежа — самое простое и легкое, положение сидя — менее легкое и положение стоя — с малой площадью опоры и поэтому достаточно сложное для удержания равновесия.

Для сглаживания разбалансировки в положениях тела с неустойчивым равновесием используются упоры. Очень распространенным является упор лежа. Это закрытая кинематическая цепь, поскольку все части тела замкнуты. Устойчивость и равновесие имеют достаточно высокую степень, центр тяжести расположен низко, площадь опоры большая.

Для примера верхней опоры могут послужить висы. Висы тоже считаются достаточно устойчивыми. Тело человека испытывает силу растяжения под тяжестью собственного веса. Руки прямые и соприкасаются с опорой в фиксировано положении. Вис является силовым упражнением уже сам по себе. Подтягивания на перекладине являются сложным силовым упражнением, которое может выполнить только подготовленный спортсмен с сильно развитыми мышцами верхнего пояса и верхних конечностей. В таком положении любая двигательная активность является сложно выполнимой, поэтому можно использовать опору для ног.

Ходьба — повседневная двигательная активность человека. Это попеременное движение ног. Одна нога служит опорой в тот момент, когда другая находится в воздухе и движется вперед. Ноги поочередно сменяют друг друга, меняя последовательно опорную фазу на двигательную.

Бег — быстрые циклические шаги, требующие от опорно-двигательного аппарата достаточно больших энергозатрат, напряжения центральной нервной системы, хорошей физической формы. Измеряется длиной шага, скоростью бега и длительностью временного промежутка.

Приседания — выполняются мышцами нижних конечностей. Площадь опоры достаточно мала, равновесие не обладает достаточной устойчивостью. При опоре руками выполнение приседаний значительно облегчается. Чем приседания глубже, тем они тяжелее. Усложнение упражнений осуществляется за счет темпа и числа приседаний, возможно дополнительное отягощение на плечи.

Прыжки — это поочередные отталкивания тела от площади опоры. Главную работу выполняют мышцы нижних конечностей, мышцы туловища и рук участвуют в движении, обеспечивая вспомогательную функцию.

Источник

Биомеханика

mir.zavantag.com > Спорт > Учебник

Глава 3 КИНЕМАТИКА

Раздел механики, в котором изучается механическое движение, но не рассматриваются причины этого движения, называется кинематикой (гр. kinema — движение). Описание движения как тела человека (его частей) в различных видах спорта, так и всевозможных спортивных снарядов является неотъемлемой частью спортивной биомеханики.

3.1. Механическое движение. Система отсчета. Материальная точка. Траектория. Путь и перемещение. Вестибулярный аппарат как инерциальная система ориентации

В подавляющем большинстве случаев взаимное расположение интересующих нас тел изменяется с течением времени и эти изменения имеют практическое значения. Например, вращение Земли вокруг своей оси вызывает смену дня и ночи, а вращение Земли вокруг Солнца — смену времен года. Для описания подобных изменений в физике вводят понятие механического движения.

^ Механическое движение — это изменение положения тела в пространстве относительно других тел.

Прежде чем описывать само движение нужно выбрать способ количественного описания положения тела. В физике для этого используют систему отсчета.

^ Система отсчета — это некоторое тело, относительно которого указывают положения других тел, связанная с ним система координат и часы для отсчета времени.

Выбор тела отсчета, системы координат и точки, в которую помещается ее начало, зависит от решаемой задачи. Например, для того, чтобы указать положение марафонца на дистанции, систему координат связывают с Землей, а начало отсчета помещают в месте старта. Если же требуется описать движение гимнаста, крутящего «солнце» на перекладине, то начало координат связывают с перекладиной. Тип выбираемой системы координат также определяется особенностями решаемой задачи.

В физике используют два основных типа системы координат: прямоугольный и полярный. На плоскости эти системы показаны на рис. 3.1.

В прямоугольной системе положение тела указывается с помощью его координат по двум осям. В полярной системе для определения положения тела указывают его удаление от начала отсчета (R) и угол (φ), который радиус-вектор тела образует с выбранным направлением

Рис. 3.1. Типы систем координат

Рис. 3.2. Различие в положениях двух одинаковых тел
(ось X). Понятно, что для тела, размеры которого значительны, этого не достаточно.

Например, на рис. 3.2 координаты центров квадратов одинаковы.

Но положения этих квадратов различны. Однако во многих случаях размеры тел при описании их движения не имеют существенного значения. Например, не имеют значения размеры планет при описании их движения вокруг Солнца. В этих случаях тела называют материальными точками.

Материальная точка — тело, размерами и внутренней структурой которого в данных условиях можно пренебречь.

Ответ на вопрос о том, можно ли рассматривать тело как материальную точку, зависит от решаемой задачи. Так, при определении средней скорости бегунаего собственными размерами безусловно можно пренебречь. В то же время при описании движения тела прыгуна в воду его нельзя рассматривать как материальную точку, поскольку в данном случае значение имеет вид прыжка и чистота его исполнения.

Рассмотрим, какие характеристики используются для описания движения материальной точки.

Движущаяся точка описывает в пространстве некоторую непрерывную линию, которая называется траекторией движения (рис. 3.3).

Траекторией называется линия, которую описывает движущаяся точка по отношению к данной системе отсчета.

Путем (s), пройденным телом, называется длина траектории.

Перемещением () тела называется вектор, соединяющий начальную точку траектории с конечной.

Рис. 3.3. Траектория движения точки и ее перемещение
В начальный момент времени (t₁) точка находится в положении М₁ которое задается радиус-вектором R₁ (ее координаты обозначены х₁ и y₁). В конечный момент времени (t₂) точка находится в положении М₂ с радиус-вектором R₂ (координаты — х₂ и y₂).

Примеры траекторий некоторых реальных тел показаны на рис. 3.4—3.6.

На рис. 3.4. представлены траектории движения снаряда, выпущенного из миномета под углом 75° (а), и пули при горизонтальном направлении выстрела (б). На рис. 3.5 показана траектория, которую описывает в горизонтальной плоскости центр масс тела стоящего человека (статокинезиграмма). На рис. 3.6 приведена стробоскопическая фотография полета мяча.

Рис. 3.4. Траектория движения снаряда миномета (а) и пули (б). (Пунктиром показана ориентация ствола)

Рис. 3.5. Статокинезиграмма стоящего человека

Рис. 3.6. Стробоскопическая фотография полета мяча

В
разных системах отсчета траектории движения различны. Так, траектория точки А, находящейся на ободе катящегося колеса, в системе, связанной с осью колеса (О), представляет собой окружность, в то время как относительно земли — это циклоида (пунктирная линия) (рис.3.7).

Рис. 3.7. Траектории точки А: окружность — относительно оси колеса; циклоида — относительно земли
У человека имеется орган, который по существу является инерциальной системой ориентации — это вестибулярный аппарат. Он расположен во внутреннем ухе и состоит из трех взаимно перпендикулярных полукружных каналов и полости — преддверия. На внутренней поверхности стенок преддверия и в части полукружных каналов находятся группы чувствительных нервных клеток, имеющих свободные окончания в форме волосков. Внутри преддверия и полукружных каналов имеется студенистая масса (эндолимфа), содержащая мелкие кристаллы фосфорнокислого и углекислого кальция (отолиты).

При движении головы в пространстве (с ускорением или замедлением) эндолимфа вследствие инерции отстает от движения костных стенок лабиринта и, следовательно, перемещается относительно них в обратном направлении. Перемещение эндолимфы вызывает сгибание волосков нервных клеток, в которых при этом возникают импульсы, сигнализирующие в центральную нервную систему о направлении и величине ускорения перемещения эндолимфы. При вращательном движении головой эти явления наиболее выражены в том полукружном канале, который лежит преимущественно в плоскости вращения.

При прямолинейном движении аналогичные явления наиболее выражены в преддверии, причем в этом случае действие перемещения жидкости усиливается перемещением вместе с ней отолитовой массы.

Вестибулярный аппарат, как и любая другая биофизическая система, не различает силы тяжести и силы инерции, а реагирует на равнодействующую этих сил. Если силы инерции будут периодически воздействовать на вестибулярный аппарат, например, при качке корабля, то это может привести к морской болезни.

Источник