некоммерческая организация - Российский государственный

НЕКОММЕРЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ
«АССОЦИАЦИЯ МОСКОВСКИХ ВУЗОВ»
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ, СПОРТА И ТУРИЗМА
НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
Концепция организации занятий по биомеханике опорно-двигательного
аппарата человека
Состав научно-образовательного коллектива:
Лукунина Елена Анатольевна, руководитель, к.п.н., доцент
Москва 2010 год
Биомеханика опорно-двигательного аппарата человека
Движения и двигательные возможности человека в существенной мере
зависят от строения и свойств опорно-двигательного аппарата (ОДА). В
отличие от анатомии и физиологии биомеханику интересует двигательная
функция живых организмов, ее обусловленность особенностями строения
тела, среди которых сложность конструкции, биомеханические свойства ее
элементов и разнообразие движений являются самыми главными. Для
удобства рассмотрения ОДА человека разделяют на пассивную и активную
части).
1. Соединение звеньев тела и степени свободы
Пассивная часть ОДА человека включает в себя 148 подвижных костей
и 147 суставов. В биомеханике тело человека рассматривают как
многозвенную систему (упрощенную модель), состоящую из подвижно
соединенных
твердых
звеньев.
Каждый
элемент
системы
обладает
определенными свойствами, которые могут по-разному проявляться в
движениях человека.
В состав пассивной части ОДА входят следующие элементы:
1) кости как:
- рычаги для передачи силы и работы;
- маятники для преобразования энергии;
- стержни для опоры и противодействия внешним нагрузкам;
2) суставы как:
- шарниры, соединяющие кости;
- шарниры, ограничивающие подвижность костей относительно друг
друга;
3) связки, укрепляющие суставы и ограничивающие их подвижность.
Для описания строения и функции ОДА в биомеханике используют
такие понятия, как «кинематическая пара», «кинематическая цепь» и
«степени свободы», заимствованные из теории механизмов и машин.
Особенностью кинематических пар и цепей тела человека является то,
что их подвижность не столь зависит от способа соединения звеньев, как в
созданных человеком механизмах
и
машинах. Поверхности
костей,
образующих суставы, не полностью соответствуют друг другу (не
конгруэнтны), отсюда относительное движение звеньев не строго задано и
управляется активностью мышц.
Многозвенность тела человека и большое количество разных по своему
строению суставов, с одной стороны, обеспечивают ему очень большую
подвижность, но с другой стороны создают огромные трудности в
выполнении
целенаправленных
движений.
Количественной
мерой
подвижности звеньев тела человека являются степени свободы движений.
Степени свободы – это количество независимых угловых и линейных
перемещений тела.
Абсолютно свободное тело, то есть тело, на которое не наложены
никакие
связи,
имеет
шесть
степеней
свободы
(три
направления
поступательного движения и три вращательного). Поскольку звенья тела
человека соединены между собой суставами, то их подвижность ограничена
и зависит от вида сустава (седловидные, блоковидные, шарообразные).
Применительно
к
телу
человека
понятие
«степени
свободы»
характеризует подвижность отдельных кинематических пар, цепей и всего
тела в целом. Поскольку в суставах возможны в основном вращательные
движения, то степени свободы в них определяются независимыми угловыми
перемещениями, количество которых зависит от формы и строения суставов.
Например, в локтевом суставе имеется две степени свободы (сгибаниеразгибание и пронация-супинация), а в тазобедренном суставе три степени
свободы
(сгибание-разгибание,
отведение-приведение
и
пронация-
супинация). Отметим, что степени свободы определяют лишь количество
независимых движений, а не размах движений в суставах.
Чтобы определить подвижность какой-либо кинематической пары или
цепи, нужно сложить число степеней свободы всех суставов, входящих в их
состав. Например, рука имеет 30 степеней свободы (15 суставов с одной, 6
суставов с двумя и 1 сустав с тремя степенями свободы). Всего в теле
человека насчитывается 244 степени свободы, что свидетельствует о его
очень большой подвижности и необходимости управления движением такой
сложной системы.
2. Механические свойства мышц
Активная часть ОДА человека включает в себя скелетные мышцы,
которые являются основными движителями нашего тела. Их количество
превышает 600, т.е. почти в три раза больше, чем общее число степеней
свободы.
Мышцы выполняют следующие функции:
- преобразовывают химическую энергию в механическую работу и
силу тяги;
- накапливают и частично отдают энергию упругой деформации;
- демпфируют внешние нагрузки;
- передают энергию (мощность) от других источников энергии.
С
биомеханической
точки
зрения
основными
показателями
деятельности мышц в организме человека являются: а) сила тяги; б) длина
мышцы и в) скорость изменения ее длины. Следует подчеркнуть, что мышца
может только тянуть, толкать она не может. Именно поэтому для
осуществления движений в суставе относительно той или иной степени
свободы необходимы как минимум две мышцы-антагонисты. Реально их
больше, что создает значительные трудности в понимании того, как мозг
распределяет степень участия мышц в суставных движениях. Это одна из не
решенных пока проблем управления движениями человека, которая в
биомеханике получила название «проблема избыточности в управлении
мышечной
активностью».
Например,
сгибание
в
локтевом
суставе
осуществляет не одна мышца, а пять: две головки двуглавой мышцы плеча,
плечевая и плечелучевая мышцы и круглый пронатор. Поэтому существует
бесчисленное множество вариантов распределения сил тяги между мышцами
для создания необходимого момента силы в суставе.
Эксперименты на изолированных мышцах животных и человека
показали, что сила тяги мышцы складывается из двух составляющих. Одна из
них обусловлена сократительными свойствами мышечной ткани. Эта
составляющая силы возникает в результате превращения химической
энергии при возбуждении мышцы в механическую работу и силу. Другая
составляющая силы возникает при растягивании мышцы и обусловлена
наличием в ней соединительной ткани, которая ведет себя подобно пружине
и способна накапливать энергию упругой деформации. Иными словами
мышца обладает упругими свойствами, т.е. свойством тел восстанавливать
свою форму после снятия нагрузки. Упругие силы имеют механическую
природу и не связаны с затратами химической энергии. Поэтому их
использование не только увеличивает силу тяги мышц, но и уменьшает
энергетическую стоимость физических упражнений.