Строение и функции двигательного аппарата как биомеханической системы

Лекция 2. Часть 1. Строение и функции двигательного аппарата как биомеханической системы Учебные вопросы: 1.Общая характеристика двигательного аппарата, понятие о биокинематических цепях. 2. Костные рычаги, их характеристика и виды. 3. Основы биомеханики мышц. 1 Учебная литература • Дубровский В.Н., Федорова В.И. Биомеханика, М:ВЛАДОС, 2003, с.281-285, 316-330. • Попов Г.И., Самсонова А.В. Биомеханика двигательной деятельности. - М., Академия, 2011, с.46-86. 2 Вопрос 1 Общая характеристика двигательного аппарата, понятие о биокинематических цепях 3 Особенности опорно-двигательного аппарата • Движения ОДА осуществляются за счет внутренних ресурсов организма (биохимические процессы - АТФ); • Центральная нервная система регулирует движения ОДА; • Спектр движений ОДА очень разнообразен и по траектории, и по скоростному режиму, он недоступен никакому техническому механизму. 4 Модели ОДА в биомеханике Для количественной оценки движения ОДА биомеханика использует модели элементов аппарата движения: • Биокинематическая пара, биокинематическая цепь; • Костный рычаг, система костных рычагов 5 Биокинематическая пара это две кости, соединенные суставом и приводимые в движение мышцами • Степени свободы – независимые перемещения в пространстве (поступательного и вращательного характера). • Степени связи ограничивают степени свободы. Бывают геометрические и кинематические. • Геометрические связи зависят от строения сустава, кинематические связи определяются согласованием работы мышц синергистов и антагонистов (обеспечивают плавность движений, заданную траекторию движения). • Количество степеней свободы в биокинематической паре равно количеству осей вращения в суставе этой биокинематической пары 6 Биокинематические цепи • Соединение (параллельное или последовательное) биокинематических пар образует биокинематические цепи; • Биокинематические цепи бывают открытыми (конечное звено такой цепи свободно) и закрытыми (замкнутыми) (конечное звено замкнуто на опору). 7 Биокинематические пары и цепи 8 Управление степенями свободы в двигательных действиях спортсмена • В единоборствах нападающий стремится «разорвать» биокинематическую цепь соперника, сделать ее открытой и увеличить количество степеней свободы цепи; • В гимнастике при построении «пирамид» необходимо уменьшить количество степеней свободы для большей устойчивости упражнения. 9 Вопрос 2 Костные рычаги, их характеристика и виды 10 Рычаг как физическое тело • Рычаг – твердое тело, имеющее точку опоры и способное вращаться или сохранять состояние покоя (равновесия); • В рычаге действуют как минимум две силы (вектора с конкретными точками приложения и направлениями действия). 11 Костные рычаги, их виды 12 Костные рычаги ОДА (двуплечие, одноплечие – рычаг силы и рычаг скорости) 13 Виды костных рычагов • Двуплечие – сила тяжести звена и сила мышечной тяги приложены (действуют) по разные стороны от сустава; • Одноплечие – сила тяжести звена и сила мышечной тяги приложены (действуют) по одну сторону от сустава. Это рычаг силы и рычаг скорости. • В рычаге силы сила мышечной тяги приложена дальше от сустава, чем сила тяжести звена. 14 Элементы костного рычага • Сустав опорно-двигательного аппарата (точка опоры, ось вращения); • Звено опорно-двигательного аппарата (обладает массой, соответственно, силой тяжести с точкой приложения – центр тяжести звена); • Сила мышечной тяги (с точкой приложения – место прикрепления мышцы к кости). 15 Характеристики костного рычага • Сила тяжести звена ОДА; • Сила мышечной тяги; • Плечо рычага – расстояние от оси вращения до точки приложения силы; • Плечо силы – перпендикуляр, опущенный из оси вращения на линию действия силы. 16 Момент силы является причиной вращательного движения в костном рычаге Момент силы – это мера действия одного тела на другое, поворачивающая тело. Момент силы равен произведению силы на плечо этой силы (перпендикуляр, опущенный из оси вращения на линию действия силы). Он возникает всегда, когда линия действия силы выходит за край площади опоры. 17 Поведение костного рычага зависит от соотношения моментов сил тяжести и мышечной тяги • Если моменты сил равны, то рычаг находится в состоянии равновесия. • Если моменты сил не равны, то рычаг находится в движении. 18 Проблемы, возникающие при работе костных рычагов • Наличие мгновенной оси вращения в суставе (место положения ее зависит от величины межсуставного угла); • Плечо силы мышечной тяги не является постоянным и зависит от величины межсуставного угла; • Всегда часть силы мышечной тяги теряется как движущая (скрытая сила мышечной тяги). 19 Взаимодействие мышц в многоосном суставе 20 Вопрос 3 Основы биомеханики мышц 21 Механические свойства мышц • Упругость (обеспечивают соединительнотканные образования мышцы – оболочки, сухожилия); • Эластичность (обеспечивают миофибриллы – актиновые и миозиновые филаменты); • Механические свойства мышц зависят от количества быстрых и медленных (толстых и тонких) мышечных волокон 22 Реологическая модель мышцы 23 Зависимость «сила тяги мышцы – длина мышцы» 24 Зависимость «сила тяги мышцы – скорость сокращения мышцы» (зависимость Хилла) 25 Реальная зависимость «сила тяги мышцы – скорость сокращения мышцы», отражающая переменность КПД мышцы 26 Области работы мышцы на зависимости Хилла • Ι и ΙΙ области динамической работы мышц (изменение длины мышцы); • Ι область - режим сжатия мышцы; • ΙΙ область – режим растяжения мышцы; • D область – режим статической работы мышц (длина мышцы неизменна). • ІІІ область – режим резкого сближения концов мышцы 27 Схема тренировки мышечной эластичности (по Belotti et al.) 28 Методы совершенствования мышечных структур • Специальные комплексы упражнений для конкретных спортивных специализаций (принцип динамического соответствия); • Биомеханическая стимуляция (В.Т.Назаров); • Стретч-упражнения для представителей всех видов спорта. 29 Часть 2. Основы локомоторных движений Учебные вопросы: 1.Понятие о локомоторных движениях. 2.Структура локомоций, шагательные движения. 3.Виды локомоторных движений. Учебная литература • Попов Г.И., Самсонова А.В. Биомеханика двигательной деятельности.- М., Академия, 2011, с.121-124, 223-228. • Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика.- М., Владос, 2003, с.363-380, 388-414. 31 Вопрос 1 Понятие о локомоторных движениях 32 Локомоции • Это двигательные действия, которые осуществляются за счет работы мышц в режимах растяжения и сжатия. • Такая работа мышц называется динамической. • Рассчитать величину динамической работы мышц можно как произведение силы тяги мышцы на изменение ее длины: А   ( нач. - кон.),  - сила тяги мышцы;  - длина мышцы (начальная и конечная) 33 Динамическая работа мышц • Осуществляется при растяжении и сжатии мышц. • Приводит к перемещению костных рычагов. • Имеет две разновидности – преодолевающая и уступающая ( по отношению к действию силы тяжести звена в костном рычаге). 34 Зависимость Хилла (сила тяги мышцы – скорость сокращения мышцы). 35 Области работы мышцы на зависимости Хилла • Ι и ΙΙ области динамической работы мышц (изменение длины мышцы); • Ι область - режим сжатия мышцы; • ΙΙ область – режим растяжения мышцы; • D область – режим статической работы мышц (длина мышцы неизменна). • ІІІ область – режим резкого сближения концов мышцы 36 Способы осуществления локомоций (А.Д. Борелли) • Отталкивание от твердой опоры или водной среды. • Притягивание к твердой опоре или водной среде. • Комбинированный (отталкивание и притягивание). 37 Превращение механической энергии (передача количества движения) при локомоциях • Человек – опора (внешняя работа). • Звено ОДА человека – соседнее с ним звено ОДА (внутренняя работа). • Энергия упругой деформации мышц – кинетическая энергия звена ОДА (экономичность движения). 38 Количество движения – произведение массы тела (звена ОДА) на скорость его поступательного движения • Динамическая векторная характеристика тела при поступательном движении. • Определяет способность тела (звена ОДА) передавать другому телу (звену ОДА) движение в виде поступательного. • Для биологического тела количество движения определяют для каждого звена ОДА. • Закон сохранения количества движения лежит в основе деления на весовые категории в спорте. 39 Вопрос 2 Структура локомоций, шагательные движения 40 Структура локомоций • Цикл – последовательность двигательных действий между двумя одинаковыми положениями тела. • Фаза – последовательность двигательных действий, решающая конкретную двигательную задачу. • Главная фаза реализует способ осуществления локомоции. 41 Структура шагательных движений • Цикл – один двойной шаг (два одиночных шага) • Периоды опоры и маха (переноса) ноги. • Опора – передняя (амортизация) и задняя (отталкивание). • Мах – подъем ноги, разгон, торможение и опускание ноги. 42 Согласование фаз движения при беге 43 Согласование фаз при шагательных движениях 44 Вопрос 3 Виды локомоторных движений 45 Классификация локомоций • По структуре – циклические и ациклические. • По характеру опоры – наземные и водные. • По виду взаимодействия с опорой – со скольжением, с механическим преобразователем энергии (вело- и гребной спорт) • По мощности выполняемой работы (максимальная, субмаксимальная, большая, умеренная). 46 (T) (V) V, 11,00 10,00 \ 100 200 400 9,00 8,00 800 1500 5000 10000 7,00 42195 6,00 5,00 0,0 1 000,0 2 000,0 3 000,0 4 000,0 5 000,0 6 000,0 7 000,0 8 000,0 T, lgT lgV ) lg V 1,05 100 200 1,00 400 0,95 максимальная 0,90 800 1500 0,85 субмаксимальная 5000 0,80 10000 большая умеренная 0,75 0,80 1,30 1,80 2,30 lg t 2,80 3,30 42195 3,80 Изучение локомоций (1) • Ациклические – каждая фаза движения изучается; циклические – изучается цикл локомоции, а затем – частота циклов; • При наземных локомоциях изучается главная фаза – отталкивание от твердой опоры; при водных изучается главная фаза – отталкивание от водной среды при гребках, но и второстепенная фаза – скольжение в водной среде тела человека в целом. 49 Изучение локомоций (2) • Взаимодействие с опорой – скольжение в лыжном ходе изучается как второстепенная фаза, но прежде – отталкивание от твердой опоры лыжей – главная фаза движения. • В гребле изучается механизм гребка в зависимости от конфигурации весла, его длины. В велоспорте – механизм передачи мышечных усилий через педаль, ее конструкции. 50 Согласование фаз движения в лыжном ходе 51 Изучение локомоций (3) • Мощность выполняемой работы позволяет оценить энергетическую (пульсовую, кислородную, метаболическую) стоимость метра пути; • Выявить зависимость энергетической стоимости метра пути от скорости движения и найти то значение скорости, при которой человек затрачивает минимум энергии; • Это позволяет объективно контролировать тренировочный процесс, выбирать оптимальный скоростной режим движения для группы людей разной физической подготовки. 52 Зависимость энергетической стоимости пути от скорости передвижения 53