Биомеханический анализ упражнений с сохранением положения

Задание № 1
Биомеханический анализ упражнений с сохранением
положения тела (статических положений)
Теоретические сведения
При выполнении многих физических упражнений необходимо
сохранять неподвижное положение тела: это различные стартовые
положения, стойки, висы, упоры и т.п. Роль статических положений как
важного элемента спортивной техники предполагает их специальное
биомеханическое изучение.
Сохранение положения тела характеризуется: 1) позой, т.е. взаимным,
относительным расположением звеньев тела, необходимым для выполнения
двигательной задачи; 2) ориентацией и местоположением в пространстве; 3)
отношением к опоре.
Для биомеханического анализа статического положения необходимо
знать положение общего центра тяжести (ОЦТ) тела человека.
ОЦТ – это воображаемая точка приложения равнодействующей
элементарных сил тяжести отдельных звеньев тела.
По характеристикам движения ОЦТ (траектории, скорости, ускорению)
оценивают технику выполнения движения. В безопорном положении
движение всех звеньев тела происходит вокруг осей, проходящих через ОЦТ.
Степень устойчивости равновесия тела определяется положением ОЦТ
относительно опоры. Величина нагрузки на те или иные мышечные группы
при удержании статического положения зависит от положения центра
тяжести (ЦТ) звена и ЦТ вышерасположенных звеньев. В основной стойке
ОЦТ расположен в области малого таза на уровне 4ч5 поясничных позвонков.
При сохранении положения тело человека как биомеханическая
система находится в равновесии. Равновесие под действием системы
внешних сил – это такое механическое состояние, при котором координаты
всех точек тела остаются постоянными (неизменяемыми во времени)
относительно выбранной системы отсчета.
В статическом положении на тело человека действуют внешние силы:
1) сила тяжести; 2) вес других тел (снарядов, партнера и т.п.); 3) сила реакции
опоры; 4) сила сопротивления среды.
Поддержание статической позы, т.е. фиксация межзвенных углов,
невозможно без участия внутренних сил – сил мышечных тяг. Фиксация
межзвенных углов обеспечивается мышечными связями, т.е. активностью
соответствующих мышц, перекрывающих тот или иной сустав.
Тело человека является подвижной многозвенной системой с таким
расположением звеньев, что практически относительно всех суставов в
статическом положении существуют моменты сил тяжести звеньев
(статические моменты). Силы тяжести звеньев создают вращающие моменты
(моменты сил тяжести) относительно осей вращения в суставах, что
приводит к нарушению позы (изменению межзвенных углов).
Поза будет сохранена, если нарушающие равновесие моменты сил
тяжести звеньев тела будут уравновешены мышечными моментами.
Определим момент силы относительно оси следующим образом:
Момент силы по модулю равен произведению модуля силы на плечо
этой силы. Плечо силы – это расстояние, равное перпендикуляру,
проведенному из центра вращения в суставе на направление действия силы.
Момент считается положительным, если вращает звено против часовой
стрелки, и наоборот.
Модуль момента силы тяжести звена (статический момент)
относительно центра вращения в суставе равен:
M(pi )  pi  hi
где: M(p i ) – момент силы тяжести звена; p i – сила тяжести звена; hi – плечо
силы тяжести относительно центра вращения в суставе.
Межзвенный угол будет зафиксирован (сустав заблокирован), т.е. звено
будет находиться в равновесии в том случае, если вращающий момент силы
тяжести звена будет уравновешиваться моментами мышечных сил. Для
упрощения задачи примем допущение, что на звено действует сила тяги
одной мышцы Fм , плечо силы обозначим hм , тогда мышечный момент M(Fм )
будет равен:
M(Fм )  Fм  hм .
Условие фиксации межзвенного угла – равенство момента силы
тяжести звена и мышечного момента:
M(pi )  M ( Fм ) , т.е. pi  hi  Fм  hм .
Если pi  hi  Fм  hм – звено будет вращаться в сторону действия
момента силы тяжести, а мышцы, обслуживающие сустав, растягиваясь,
будут работать в уступающем режиме.
Если pi  hi  Fм  hм – звено поворачивается в сторону действия
мышечного момента, а мышцы, укорачиваясь, работают в преодолевающем
режиме.
Если pi  h  i Fì  hì - межзвенный угол фиксируется, а мышцы работают
в изометрическом режиме.
В статическом положении критерием количественной оценки
степени нагрузки на мышцы того или иного сочленения следует считать
меру их противодействия (мышечные моменты) моментам сил тяжести
удерживаемых звеньев.
В механике различают следующие виды устойчивости равновесия
твердого тела: 1) устойчивое; 2) неустойчивое; 3) безразличное.
В случае гравитационных сил устойчивым называется равновесие, при
нарушении которого ОЦТ тела повышается.
В устойчивом равновесии будет находиться гимнаст в висе на кольцах
или рука, свободно висящая в плечевом суставе.
Неустойчивым называется равновесие, при нарушении которого ОЦТ
понижается.
Безразличное равновесие характеризуется тем, что при любом положении
тела высота ОЦТ по отношению к опоре остается величиной постоянной.
Примером безразличного равновесия может служить положение мяча на
горизонтальной плоскости.
В спортивной практике примеров неустойчивого и безразличного равновесия
практически не существует.
В статическом положении при нижней опоре наше тело имеет определенную
площадь опоры и находится в ограниченно-устойчивом равновесии. Угол, на
который надо повернуть тело, чтобы перевести его из устойчивого равновесия в
неустойчивое, называется углом устойчивости.
Угол устойчивости – это угол, образованный двумя лучами, один из
которых проводится из ОЦТ вертикально вниз, а второй – из ОЦТ к крайней точке
опоры.
Угол устойчивости является динамическим показателем устойчивости
равновесия. Чем больше угол устойчивости, тем больше степень устойчивости
равновесия как способность тела восстанавливать состояние равновесия при его
нарушении.
Сумма двух углов устойчивости в одной плоскости называется углом
равновесия. Угол равновесия характеризует запас устойчивости тела в этой
плоскости.
Сохранение равновесия живой биомеханической системы (тела человека)
представляет собой сложнейшую регуляторную задачу, в решении которой
принимают участие, помимо нервно-мышечной системы, зрительный,
вестибулярный и тактильный анализаторы. За счет сложнейшего процесса
регулирования своих мышечных усилий человек выполняет компенсаторные и
амортизирующие движения, способствующие сохранению и восстановлению
равновесия.
При анализе статического положения необходимо уметь оценить условия выполнения очень важной жизненной функции, а именно – функции
дыхания.
Осуществление дыхательной функции связано с изменением объема
грудной клетки, а, следовательно, и объема легких, механически с ней
связанных. Строение грудной клетки (около 100 соединений грудины, ребер
и позвонков) обеспечивает ей чрезвычайно высокую подвижность (см. курс
«Анатомия человека»). Изменение объема грудной клетки происходит
вследствие работы дыхательных мышц (собственно-дыхательных и
вспомогательно-дыхательных).
В зависимости от того, какая область грудной клетки преимущественно
перемещается, и какие мышцы осуществляют это перемещение, различают
следующие типы дыхания: верхнегрудной, нижнегрудной, диафрагмальный
и смешанный.
Степень загруженности и условия работы некоторых мышц при
поддержании статического положения затрудняют или облегчают
осуществление дыхательной функции. Например, при выполнении
упражнения «сед углом» напряженные мышцы брюшного пресса
препятствуют уплощению купола диафрагмы при вдохе, поэтому
диафрагмальный тип дыхания при удержании этого статического положения
будет явно затруднен.
При дополнительной нагрузке на мышцы верхних конечностей
(удержание снаряда, партнера и т.п.) будет затруднено верхнегрудное
дыхание. При удержании предельных грузов (например, штанги) происходит
задержка дыхания на вдохе. В этом случае дыхательные движения грудной
клетки невозможны, так как мышцы пояса верхних конечностей, спины,
брюшного пресса и др. своим напряжением создают жесткий каркас,
жесткую систему костных звеньев, на которую опирается штанга. В ряде
случаев (например, в стойке на руках) задержка дыхания необходима, так как
малая степень устойчивости равновесия может быть нарушена из-за
перемещения масс в процессе дыхания.
Вспомогательно-дыхательные мышцы выполняют две функции. Их
прямое назначение - перемещение периферических звеньев тела. Однако при
фиксации периферических звеньев эти мышцы могут перемещать ребра,
изменяя объем грудной клетки. Например, если руки - на опоре, то большие
грудные мышцы могут расширять грудную клетку, т.е. выполнять
дыхательную функцию.
Проанализировать, с точки зрения биомеханики, условия дыхания в
статическом положении – значит ответить на вопрос, какой тип дыхания
возможен, какой - затруднен и почему.
В выводах по работе следует указать: 1) какие группы мышц удерживают
данную позу. 2) на какие мышечные группы проходиться наибольшая
нагрузка. 3) каковы биомеханические условия для осуществления
дыхательной функции.
Цель работы: дать биомеханическую и педагогическую оценку
исследуемого статического положения.
Исходные данные:
1. Фотография статического положения спортсмена (рис 1.1. точками указаны
вращения в суставах, крестами – центры тяжести отдельных звеньев).
2. Масса спортсмена m =_______ (кг).
3. Масштаб изображения 1:10 .
Порядок выполнения работы:
На рис. 1.1. представлена статистическая поза для биомеханического анализа.
I 1. Определить мышцы, обеспечивающие фиксацию звеньев тела в каждом суставе.
Заполнить таблицу 1.1. Напомним, что тело человека является подвижной
многозвенной системой с таким расположение звеньев тела, что практически
относительно всех суставов силы тяжести отдельных звеньев (см. рис. 1.1.) создают
вращающие моменты:
Mi  Pi  hi , где
Mi - момент силы тяжести звена
Pi - сила тяжести звена
hi - плечо силы тяжести звена относительно центра вращения в том или ином
суставе.
Эти вращающие моменты сил тяжести звеньев тела нарушают статическую
позу (изменяют межзвенные углы). Для сохранения позы необходимо
уравновесить действие моментов сил тяжести мышечными моментами
Mì  Jì  hì
Условием фиксации межзвенного угла (блокировки сустава), т.е. условием
сохранения позы является равенство мышечных моментов Mì моментам сил
тяжести звеньев тела  Mi относительно того или иного сустава:
Mì   Mi
Исходя из вышесказанного, заполнить таблицу 1.1., т.е. указать мышцы,
которые своей активностью фиксируют межзвенные углы в каждом суставе.
Таблица 1.1.
№
сустава
Название сустава
1
Атланто-затылочный
2
Плечевой
3
Тазобедренный
4
Коленный
5
Голеностопный
6
Название мышц
2. Показать на рис 1.1. направления сил тяги мышц (указанных в табл. 1.1.)
относительно каждого сустава. Следует помнить, что вектор силы тяги
мышцы всегда направлен к опорному звену.
На рис. 1.2. показаны примеры направлений сил тяги мышц, фиксирующих
звенья тела в той или иной статической позе.
II. Рассчитать моменты сил тяжести звеньев тела относительно одного из
суставов, заполнить таблицу 1.2.
1. Определить звенья, силы, тяжести которых создают момент относительно
данного сустава (см. рис 1.1.). Записать названия этих звеньев в столбец 1
таблицы 1.2.
2. Значения сил тяжести звеньев тела Pi взять из таблицы 1.3. Записать эти
значения в столбец 2 таблицы 1.2.
Таблица 1.2.
Значения сил тяжести Pi(H ) звеньев тела (масса спортсмена 70 кг.)
Название
звеньев
Относительная
масса звена %
Масса звена
(кг)
Сила тяжести
звена
Голова
Туловище
плечо
предплечье
кисть
Бедро
Голень
Стопа
7
43
3
2
1
12
5
2
4,9
30,1
2,1
1,4
0,7
8,4
3,5
1,4
49
301
21
14
7
84
35
14
Pi  mig (H )
3. Измерить на рис 1.1. (с учетом масштаба изображения) плечи hi сил
тяжести звеньев, создающих момент относительно данного сустава. Для
этого из центра вращения в суставе провести перпендикуляр на линию
действия каждой силы тяжести. Измерить длину этого перпендикуляра (в
метрах). Значения плеч сил, тяжести записать в столбец 3 таблицы 1.2.
4. Рассчитать момент силы тяжести каждого звена Mi  Pi  hi , записать в
столбец 4 таблица 1.2.
5. Рассчитать суммарный момент сил тяжести звеньев тела относительно
данного сустава M   Mi   Pi  hi
Напомним, что суммарный момент сил тяжести относительно данного
сустава количественно определяет нагрузку на мышцы, обслуживающие этот
сустав (своей активностью, создающие мышечные моменты,
уравновешивающие моменты сил тяжести звеньев тела).
Таблица 1.3
Звено, сила тяжести
Значение силы
которого создает момент тяжести звена
в_____________ суставе
p i, Н
Плечо силы
тяжести
звена hi, м
Момент силы
тяжести
Mi=pihi, Нм
Суммарный момент сил тяжести звеньев относительно сустава
n
M   Mi =
, Нм
i 1
III. Определить вид устойчивости равновесия данного статического
положения. Построить и измерить углы устойчивости в направлении
возможной потери равновесия. По величине углов устойчивости оценить
динамическую устойчивость тела по сравнению с основной стойкой (в
основной стойке углы устойчивости равны ≈ 10/12 град.).
IV. Оценить условия дыхания в данном статическом положении:
 Установить
тип
дыхания
(диафрагмальный,
верхнегрудной,
нижнегрудной), наиболее благоприятный в данном статическом
положении.
 Какой тип дыхания затруднен и почему?
 Затруднен вдох или выдох, имеет ли место задержка дыхания и почему?
 Принимают ли участие в акте дыхания вспомогательно-дыхательные
мышцы?
V. ВЫВОДЫ.
В выводах следует ответить на вопросы:
 Какие мышцы, участвующие в удержании данной статической позы,
наиболее загружены.
 Какова степень устойчивости равновесия по сравнению с основной
стойкой.
 Какой тип дыхания возможен , какой затруднен и почему.
 Обосновать возможность применения изученной позы в лечебной
физкультуре или тренировочном процессе.
Контрольные вопросы к заданию №1
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Дайте определение упражнению к сохранениям положения тел.
Какая механическая характеристика является мерой вращательного действия силы?
Дайте определение механической характеристике «момент силы».
Чему равен модуль момента силы?
Что называется плечом силы?
Чему равен момент силы тяжести плеча относительно плечевого сустава?
Чему равен момент силы тяжести головы относительно атланто-затылочного сочленения?
Чему равен момент силы тяжести кисти относительно плечевого сустава?
Напишите условие равновесия головы относительно атланто-затылочного сустава.
Напишите условие равновесия руки относительно плечевого сустава.
Напишите условие фиксации межзвенного угла при удержании статического положения.
В каком режиме работают мышцы, если M ( P )  M мышцы.
13. В каком режиме работают мышцы, если M ( P)  M мышцы.
14. В каком режиме работают мышцы, если M ( P)  M мышцы.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
Виды устойчивости равновесия.
Дайте характеристику устойчивого равновесия. Приведите примеры из спортивной практики.
Вид устойчивости равновесия при удержании статического положения.
Дайте определение ограниченному устойчивому равновесию. Приведите примеры из
спортивной практики.
Что называется углом устойчивости?
Как измеряется угол устойчивости?
Почему угол устойчивости является динамическим показателем устойчивости равновесия.
Может ли спортсмен произвольно изменять угол устойчивости. Каков механизм изменения
угла устойчивости.