Физические основы и принципы функционирования биомеханических систем

Учебная дисциплина Физические основы и принципы функционирования биомеханических систем двигательной деятельности Преподаватель: • Шансков Михаил Алексеевич, кандидат биологических наук • Аттестация по дисциплине – зачет Лекция 1. Часть 1. Введение в биомеханику Учебные вопросы: 1.Предмет, задачи биомеханики; история развития биомеханики. 2. Понятие о двигательных действиях, их характеристика. 3.Методы биомеханического исследования физических упражнений. Учебная литература • Попов Г.И., Самсонова А.В. Биомеханика двигательной деятельности. – М., Академия, 2011, С.6-20,87-101. • Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика. – М., Владос, 2004, С.13-20, 462-477. Вопрос 1 Предмет, задачи биомеханики; история развития биомеханики. Биомеханика как наука • Bios – жизнь, machine – орудие. • Биомеханика – раздел биофизики, изучающий механическое движение биологических тел (и в самих этих биологических телах – дыхание, кровообращение и т.д.). • Биомеханика двигательной деятельности – раздел биофизики, изучающий механическое движение биологических тел в процессе их двигательной деятельности В основе биомеханики: • Анатомия аппарата движения (биологическое тело как физическое тело); • Механика, как раздел физики (механическое движение); • Физиология движения (регуляция механического движения биологического тела); • Кибернетика (движения биологического тела с постоянной обратной биологической связью окружающей средой); • Теория физической культуры (знание конкретного движения). История развития биомеханики (1) • Аристотель (384-322 гг. до н.э.), Клавдий Гален (ок.130-200 гг.) - описал действие мышц и провел их геометрический анализ; связь активности мышц с движением в суставах. • Леонардо да Винчи (1451-1519 гг.) – законы механики описывают движения биологических тел. • А.Д.Борелли (1608-1679 гг.) – первая научная книга по биомеханике «О движении животных». Впервые определил положение ОЦТ тела человека. • И.М.Сеченов (1829-1905 гг.) – «Очерк рабочих движений человека»; связь психических, биологических и механических функций в деятельности человека. • П.Ф.Лесгафт (1837-1909 гг.) – курс «Теории телесных движений» на курсах по физическому образованию; в 1927г. – в институтах физической культуры возникла дисциплина «Теория движений», которая позже была переименована в «биомеханику». История развития биомеханики (2) • Н.А.Бернштейн (1899-1963гг.) – создатель физиологии двигательной активности. • Д.Д.Донской (1910 -2007гг.) – ученик Н.А.Бернштейна, автор техники классического лыжного хода (с Г.Г.Гроссом), техники оздоровительного бега; автор 5 учебников по биомеханике. • В.М.Зациорский (1932 – наст.вр.) – биомеханика спортивных движений; физические качества спортсмена (теория и методика воспитания). • И. П.Ратов, Г.И.Попов (наст.вр.) – биомеханические технологии в подготовке спортсмена. Направления развития биомеханики • теоретическая биомеханика (математическое моделирование движений, управление ими); • спортивная биомеханика (двигательные действия человека в спорте); • инженерная биомеханика (конструирование управляемых роботов); • медицинская биомеханика (причины, последствия, способы профилактики травм, протезирование); • эргономическая биомеханика (взаимодействие человека с окружающей средой; спортивный инвентарь, тренажеры и т.д. с целью оптимизации такого взаимодействия); • биомеханика физических упражнений (в массовых формах физического воспитания); • биомеханика адаптивной физической культуры (спорт инвалидов, адаптация их к окружающей среде). Задачи биомеханики: • изучение действующих сил для совершенствования техники движения (наиболее рациональной); • выявление закономерностей для совершенствования техники движения, прогнозирование спортивного результата; • выявление ошибок в технике движения; • совершенствование спортивного инвентаря. Вопрос 2 Понятие о двигательных действиях, их характеристика Двигательное действие – механическое движение биологического тела • механическое движение - перемещение в пространстве; • имеется внутренний источник энергии (АТФ); • управляется центральной нервной системой (ЦНС); • имеется регулирующая сторона: цель, способы ее достижения, корректировка этих способов; «Модель потребного общества» – Н.А.Бернштейн. Характеристика двигательных действий • Рациональность – характеристика способа выполнения двигательного действия, спортивной техники • Эффективность - характеристика двигательного действия конкретного человека в рамках данной техники Рациональность разных способов прыжка в высоту ("ножницы", "фосбюри" и перекидной ) Результат прыжка в высоту (H) зависит от трех составляющих (h1, h2, h3): H = h1 + h2 – h3, • h1 – высота расположения ОЦТ тела в последний момент отталкивания; • h2 - высота расположения ОЦТ тела от момента отталкивания до максимально высокого положения над планкой; • h3 - высота расположения ОЦТ тела от планки до максимально высокого положения тела над планкой. Движения бедра у стайера с эффективной (слева) и неэффективной (справа) техникой. Максимальное разгибание в тазобедренном суставе (обычно сопровождается поворотом таза) совпадает с завершением отталкивания (положение В). Вопрос 3 Методы биомеханического исследования физических упражнений Электромиография как метод измерения биоэлектрического потенциала скелетных мышц. Последовательные положения ноги при беге (сверху) и электрическая активность мышц ноги (сверху вниз): внутренняя широкая мышца бедра, передняя большеберцовая, двуглавая мышца бедра, камбаловидная. Тензодинамометрия - метод измерения внешних сил. Распределение нагрузки на стопу при ходьбе во время опорного периода. Тензодинамометрия, как метод измерения сил внешнего характера. Распределение нагрузки на стопу при ходьбе. Сила опорной реакции на жестком и мягком покрытии при беге трусцой с пятки. Стрелками обозначены моменты начала и конца взаимодействия с опорой (данные получены с помощью тензодинамометрии). Стабилография – определение координаты центра давления на опору Акселерометрические измерения величин средних ускорений голени при беге по различным покрытиям: I- искусственное покрытие; II-асфальт; III–гаревая дорожка; IV – травяной покров. Электрогониометрия как метод измерения величин межсуставных углов. Оптические методы регистрации движений • Фотосъемка с ее модификациями (цикло-, стробо- , импульсная, стерео-). • Киносъемка. • Фотограмметрия. • Кинотелевизионный метод. Стробофотография движения Регистрация движения методом фотограмметрии Условия проведения оптической регистрации движения • Требования к спортсмену – маркировка суставов опорно-двигательного аппарата; • Заданная частота - временной интервал между экспонированием (определяется характером движения); позволяет структурировать движение – делить целое двигательное действие на отдельные временные элементы (фазы); • Контрастность фона и спортсмена, фронтальная или профильная съемка. Моделирование бега (создание сегментарного промера - изображение на бумажном носителе) Часть 2. Основы кинематики и динамики биологических тел Учебные вопросы: 1.Понятие о механическом движении, кинематике и динамике. 2.Кинематические характеристики поступательного и вращательного движения биологического тела. 3. Динамические характеристики поступательного и вращательного движения биологического тела. 4. Законы динамики для поступательного и вращательного движения. 31 Учебная литература • Попов Г.И., Самсонова А.В. Биомеханика двигательной деятельности. М.: Академия, 2011, с.21-31. • Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика. М.:Владос, 2003, с.59-86, 100-116, 127-130. 32 Вопрос 1 Понятие о механическом движении, кинематике и динамике. 33 Внешнее проявление двигательного действия – механическое движение • Механическое движение – любое изменение положения тела или его частей в пространстве и во времени по отношению к другим телам, условно принятыми за неподвижные. • Поступательное движение – такое движение, при котором линия, мысленно проведенная в теле перемещается параллельно самой себе. • Вращательное движение – такое движение, при котором все точки тела описывают окружности, центры которых находятся на одной прямой, называемой осью вращения. 34 Виды механического движения • Простые – поступательное и вращательное; • Сложное – имеет компоненты поступательного и вращательного характера; при изучении требует выделение каждого из компонентов; • Классическая механика разработана для простых форм механического движения. 35 Пример поступательного движение тела 36 Пример вращательного движения биологического тела 37 Системы отсчета пространства и времени необходимы для определения кинематических характеристик Система отсчета пространства включает в себя: • Условно неподвижное тело (ноль отсчета); • Систему координат; • Единицу измерения. Система отсчета пространства совмещена с системой отсчета времени (ноль отсчета, единица измерения) 38 Разделы механики, изучающие движение тел – кинематика и динамика • Кинематика изучает внешнюю картину движения без выявления причин этого движения (геометрию движения). • Динамика изучает причины возникновения или изменения движения. • Учитывается биологическая особенность тела. 39 Вопрос 2 Кинематические характеристики поступательного и вращательного движения биологического тела. 40 Кинематические характеристики механического движения 1. Пространственные (координата, перемещение, траектория); 2. Временные (момент времени, длительность движения, период вращения, частота вращения); 3. Пространственно-временные (скорость, ускорение). 41 Способы задания пространственных характеристик механического движения • При поступательном движении – с помощью прямоугольной системы координат ХОУ и векторно [м]. • При вращательном движении – с помощью полярной системы координат [рад]. 42 Способы задания пространственных характеристик при поступательном движении Векторный Радиус-вектор R ХОУ Y 2 2 Y2 1 Y1 1 X1 X2 X 43 Способ задания пространственных характеристик при вращательном движении (полярная система координат) 44 Пространственные характеристики • Координата (линейная и угловая) характеризует местоположение тела в пространстве Х, У; r̅ [м]; ψ[рад]; • Перемещение (линейное и угловое) характеризует изменение координаты ∆Х̅̅̅̅, ∆У̅̅, ∆ r̅ [м]; ∆ψ̅̅[рад]; • Траектория характеризует форму перемещения. 45 Временные характеристики при поступательном и вращательном движении тела • Момент времени – временная координата, t1, t2, … [с]; • Длительность движения - ∆t = t2 – t1 [с]; • Период вращения – время выполнения полного оборота (на 360 градусов) [с]; • Частота вращения – величина, обратная периоду вращения [1/с]. 46 Физический смысл скорости и ускорения • Скорость (линейная и угловая) характеризует быстроту и направление изменения координаты. V̅ = ∆Х̅/ ∆t [м/с] – средняя скорость; Мгновенная скорость определяется при очень малом ∆t (стремится к нулю); • Ускорение (линейное и угловое) характеризует быстроту и направление изменения скорости. а̅ = ∆ V̅/ ∆t [м/с²] – среднее ускорение. 47 Вопрос 3 Динамические характеристики поступательного и вращательного движения биологического тела. 48 Динамические характеристики • Силовые (сила – мера действия одного тела на другое; момент силы) – вектора. • Масс-инерционные (масса и момент инерции тела) – скаляры. • Энергетические (работа, мощность, энергия) – скаляры. • Количество движения и кинетический момент – вектора. 49 Сила – как мера действия одного тела на другое • Векторная величина: имеет точку приложения, направление действия и собственно величину (модуль); • В механике выполняет функцию : движущую (ускоряющую), тормозящую, уравновешивающую; • Может быть контактной или дистантной по характеру взаимодействия тел. 50 Момент силы возникает всегда, когда линия действия силы выходит за край площади опоры Момент силы является причиной возникновения или изменения вращательного движения 51 Масса тела – гравитационная и инертная • Отражает материальную сущность физического тела (вещества, из которого оно состоит); • Обеспечивает взаимодействие тел (закон всемирного тяготения); гравитационная масса; • Определяет возможность тела двигаться или сохранять покой – инертная масса. 52 Мера инертности (инерции) • При поступательном движении – масса; • При вращательном движении – эта характеристика зависит не только от массы тела, но и от расстояния точки общего центра массы до оси вращения; 53 Механическая энергия характеризует способность тела совершать работу • Механическую работу осуществляет сила (момент силы), обеспечивая перемещение биологического тела и его звеньев; • Механическая энергия существует в виде потенциальной (энергия положения) и кинетической (энергия движения). 54 Количество движения • Количество движения – численно равно произведению массы тела на скорость его поступательного движения; характеризует способность тела передавать другому телу механическое движение в виде поступательного; • Данная характеристика лежит в основе деления на весовые категории в единоборствах; • Дает возможность оценить технику выполнения двигательного действия при метаниях, бросках, ударах. 55 Кинетический момент • Кинетический момент – численно равен произведению момента инерции тела на скорость его вращательного движения; характеризует способность тела передавать другому телу механическое движение в виде вращательного 56 Передача количества движения между звеньями ОДА при метании 57 Вопрос 4 Законы динамики для поступательного и вращательного движения 58 Законы динамики • Закон всемирного тяготения; • Три закона Ньютона (закон инерции, второй закон – устанавливает взаимосвязь между кинематикой и динамикой, закон действия и противодействия); • Законы сохранения; • Все законы динамики существуют в единстве. 59 Закон всемирного тяготения • Все тела взаимодействуют друг с другом и сила этого взаимодействия прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами масс этих тел. 60 Первый закон Ньютона • Первый закон Ньютона говорит о наличии таких систем отсчета, в которых движение тела сохраняет равномерный прямолинейный характер до тех пор, пока другое тело не изменит его. Это для поступательного движения. 61 Второй закон Ньютона • Второй закон динамики утверждает, что тело под действием силы приобретает ускорение, величина которого прямо пропорциональна величине этой силы и обратно пропорциональна массе тела. • Ускорение – кинематическая характеристика • Сила и масса – динамические характеристики а̅ = F/̅ m 62 Третий закон Ньютона • Третий закон динамики утверждает наличие силы действия со стороны одного тела и силы противодействия со стороны второго тела. Эти силы равны по величине и противоположно направлены. • Но эти силы приложены к разным телам. 63 Законы сохранения в механике • Физическое тело представляется как механическая система (закрытая, т.е. нет взаимодействия с другими телами). В закрытой механической системе: • общее количество движения остается неизменным (полет при прыжке) • общий кинетический момент остается неизменным (вращения без опоры) • общая механическая энергия остается неизменной. Имеет место превращение одного вида механической энергии в другой. 64