Тема 1. Направления развития биомеханики – как науки.

1. Понятие «биомеханика».

2. Развитие биомеханики – Джовани Альфонсо Борелли, Е. Майбридж, Э. Марей, В. Брауне, О.Фишер.

3. Возникновение и развитие отечественной биомеханики – П.Ф. Лестгафт, И.М. Сеченов, А.А. Ухтомский, Н.А. Бернштейн и др.

4. Задачи спортивной биомеханики как науки.

5. Современное состояние биомеханики.

6. Направления развития биомеханики.

7. Связи биомеханики с другими науками.

1. Биомеханика - это раздел биофизики, в котором изучаются механические свойства тканей, органов и систем живого организма и механические явления, сопровождающие процессы жизнедеятельности. Термин биомеханика составлен из двух греческих слов: bios - жизнь и mехаnе - орудие. Отсюда понятно, что биомеханика — это раздел науки, изучающий двигательные возможности и двигательную деятельность живых существ.

Пользуясь методами теоретической и прикладной механики, этанаука исследует деформацию структурных элементов тела, течение жидкостей и газов в живом организме, движение в пространстве частей тела, устойчивость и управляемость движений, и другие вопросы, доступные указанным методам.

До последнего времени основные исследования в области биомеханики были связаны с изучением движений человека и животных. Однако сфера приложения этой науки прогрессивно расширяется; сейчас она включает в себя также изучение дыхательной системы, системы кровообращения, специализированных рецепторов и т. д.

2. Биомеханика – одна из самых старых ветвей биологии. Ее истоками были работы Аристотеля и Галена, посвященные анализу движений животных и человека. Но только благодаря работам одного из самых блистательных людей эпохи Возрождения – Леонардо да Винчи (1452 – 1519) – биомеханика сделала свой первый шаг. Леонардо особенно интересовался строением человеческого тела (анатомией) в связи с движением. Он описал механику тела при переходе из положения сидя к положению стоя, при ходьбе вверх и вниз, при прыжках и, по-видимому, впервые дал описание походок.

Р. Декарт (1596-1650) создал основу рефлекторной теории, показав, что причиной движений может быть конкретный фактор внешней среды, воздействующий на органы чувств. Этим объяснялось происхождение непроизвольных движений.

В дальнейшем большое влияние на развитие биомеханики оказал итальянец Д. Борелли (1608-1679) – врач, математик, физик. В своей книге «О движении животных» по сути он положил начало биомеханике как отрасли науки. Он рассматривал организм человека как машину и стремился объяснить дыхание, движение крови и работу мышц с позиций механики.

Первые шаги в подробном изучении биомеханики движений были сделаны лишь в конце XIX столетия немецкими учеными Брауном и Фишером, которые разработали совершенную методику регистрации движений, детально изучили динамическую сторону перемещений конечностей и общего центра тяжести (ОЦТ) человека при нормальной ходьбе.

3. У нас в стране изучение координации движений человека ведется с двадцатых годов XX столетия. Проводились исследования всей биомеханической картины координационной структуры произвольных движений человека с целью установления общих закономерностей, определяющих как центральную регуляцию, так и деятельность мышечной периферии в этом важнейшем жизненном процессе. С 30-ых годов XX века в институтах физкультуры в Москве (Н.А. Бернштейн), в Ленинграде (Е.А. Котикова, Е.П Котельникова), в Тбилиси (Л.В. Чхаидзе), в Харькове (Д.Д. Донской) и других городах стала развиваться научная работа по биомеханике. В1939 г. вышло учебное пособие Е.А. Котиковой «Биомеханика физических упражнений» и в последующие годы в учебники и учебные пособия стал входить раздел «Биомеханическое обоснование спортивной техники по различным видам спорта».

Из биологических наук в биомеханике более других использовались научные данные по анатомии и физиологии. В последующие годы большое влияние на становление и развитие биомеханики как науки оказали динамическая анатомия, физика и физиология, особенно учение о нервизме И.П. Павлова и о функциональных системах П.К. Анохина.

П.Ф. Лесгафтом (1837-1909) создана биомеханика физических упражнений, разработанная на основе динамической анатомии. В1877 г. П.Ф. Лесгафт начал читать лекции по этому предмету на курсах по физическому воспитанию. В Институте физического образования им. П.Ф. Лесгафта этот курс входил в предмет «физическое образование», а в 1927 г. был выделен в самостоятельный предмет под названием «теория движения» и в 1931 г. переименован в курс «Биомеханика физических упражнений».

Большой вклад в познание взаимодействия уровней регуляции движений внес Н.А. Бернштейн (1880 - 1968). Им дано теоретическое обоснование процессов управления движениями с позиций общей теории больших систем. Исследования Н.А. Бернштейна позволили установить чрезвычайно важный принцип управления движениями, общепризнанный в настоящее время. Нейрофизиологические концепции Н.А. Бернштейна послужили основой формирования современной теории биомеханики движений человека.

Идея Н.М. Сеченова о рефлекторной природе управления движениями путем использования чувствительных сигналов, получили развитие в теории Н.А. Бернштейна о кольцевом характере процессов управления.

По определению А. А. Ухтомского (1875-1942), биомеханика исследует «каким образом полученная механическая энергия движения и напряжения может приобрести рабочее применение». Им показано, что сила мышц при прочих равных условиях зависит от поперечного сечения. Чем больше поперечное сечение мышцы, тем больше она в состоянии поднять груз. А.А. Ухтомский открыл важнейшее физиологическое явление - доминанту в деятельности нервных центров, в частности, при двигательных актах. Большое место в его работах отведено вопросам физиологии двигательного аппарата.

Успехи современной физиологии, и, в первую очередь, труды академика П.К. Анохина дали возможность с позиции функциональных систем по-новому взглянуть на биомеханику движений.

Все это дало возможность обобщить физиологические данные с биомеханическими исследованиями и подойти к решению важных вопросов биомеханики движений в современном спорте, спорте высших достижений.

4. Основными задачами спортивной биомеханики являются:

- совершенствование спортивной техники, моделирование и конструирование её наиболее рациональных вариантов;

- биомеханический контроль техники отдельных спортсменов с целью исправления ошибок и повышения уровня спортивно-технического мастерства;

- выявление биомеханических закономерностей совершенствования двигательных действий;

- разработка биомеханически целесообразных тренажёров для спорта.

5. В середине XX века ученые создали протез руки, управляемый электрическими сигналами, поступающими из нервной системы. В1957 г. у нас в стране была сконструирована модель руки (кисти), которая выполняла биоэлектрические команды типа «сжать - разжать», а в 1964 г. создан протез с обратной связью, т. е. протез, от которого непрерывно поступает в ЦНС информация о силе сжатияили разжатия кисти, о направлении движения руки и тому подобных признаках.

Американские специалисты (1964) создал протез ноги, ампутированной выше колена. Была изготовлена гидравлическая модель коленного сустава, позволяющая добиться естественной ходьбы. Конструкция предусматривает нормальную стопу подъема пятки и вытягивание ноги при ее отводе независимо от скорости ходьбы.

Бурное развитие спорта в СССР послужило основанием развитиябиомеханики спорта. С 1958 г. во всех институтах физической культуры биомеханика стала обязательной учебной дисциплиной, создавались кафедры биомеханики, разрабатывались программы, издавались учебные пособия, учебники, проводились научно-методические конференции, готовились специалисты.

Биомеханические исследования позволили создать новый тип обуви, спортивного инвентаря, оборудования и техники управления ими (велосипеды, горные и прыжковые лыжи, гоночные лыжи, лодки для гребли и многое другое).

Изучение гидродинамических характеристик рыб и дельфинов дало возможность создать специальные костюмы для пловцов, изменить технику плавания, что способствовало повышению скорости плавания.

6. Биомеханику преподают в высших физкультурных учебных заведениях во многих странах мира. Создано международное общество биомехаников, проводятся конференции, симпозиумы, конгрессы по биомеханике. При Президиуме Российской академии наук создан научныйСовет по проблемам биомеханики с секциями, охватывающими проблемы инженерной, медицинской и спортивной биомеханики.

7. Биомеханика находится на стыке разных наук: медицины, физики, математики, физиологии, биофизики, вовлекая в свою сферу различных специалистов, таких как инженеры, конструкторы, технологи, программисты и др. Взаимодействие биомеханики с биохимией, психологией и эстетикой дало жизнь новым научным направлениям, которые, едва родившись, уже приносят большую практическую пользу. В их числе «психобиомеханика», энергетические и эстетические аспекты биомеханики. Более других медико-биологических и педагогических дисциплин биомеханика использует достижения электронно-вычислительной техники. Но главное - биомеханика служит связующим звеном между теорией и практикой физического воспитания, спорта и массовой физической культуры. Опираясь на знание биомеханики, педагогу легче учить своих воспитанников. Но для этого необходимо уметь анализировать двигательную деятельность, или, говоря на профессиональном языке, читать движения. Здесь можно провести аналогию с музыкой. Неспециалист воспринимает фонограмму музыкального произведения эмоционально. А профессионал-музыкант различает голоса разных инструментов, тонко оценивает согласованность их звучания, замечает ошибки и, кроме того, может «мысленно услышать» звуки, записанные на нотных линейках. Так и специалист по физическому воспитанию должен уметь «мысленно увидеть» движение, если зарегистрированы его характеристики (траектория, скорость, сила и т. д.).