Биомеханические характеристики тела человека и его движений

Понятие инерции раскрывается в первом законе Ньюто­на: "Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равно­мерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы не заставят его изменить это состояние".

Говоря проще: тело сохраняет свою скорость, а также под действием внешних сил изменяет ее.

Масса - это мера инертности тела при поступатель­ном движении. Она измеряется отношением величины при­ложенной силы к вызываемому ею ускорению.

Масса тела характеризует, как именно приложенная сила может изменить движение тела. Одна и та же сила вызовет большее ускорение у тела с меньшей массой, чем у тела с боль­шей массой.

Момент инерции - это мера инертности тела при вращательном движении. Момент инерции тела относитель­но оси равен сумме произведений масс его частиц на квадраты их расстояний от данной оси вращения.

Отсюда видно, что момент инерции тела больше, когда его частицы дальше от оси вращения, а значит угловое ускорение тела под действием того же момента силы меньше; если части­цы ближе к оси, то угловое ускорение больше, а момент инерции меньше. Значит, если приблизить тело к оси, то легче вызвать угловое ускорение, легче разогнать тело во вращении, легче и остановить его. Этим пользуются при движении вокруг оси.

Силовые характеристики. Известно, что движение тела мо­жет происходить как под действием приложенной к нему движу­щей силы, так и без движущей силы (по инерции), когда приложе­на только тормозящая сила. Движущие силы приложены не все­гда; без тормозящих же сил движения не бывает. Изменение движений происходит под действием сил. Сила не причина дви­жения, а причина изменения движения; силовые характеристики раскрывают связь действия силы с изменением движения.

Сила — это мера механического воздействия одного тела на другое в данный момент времени. Численно она определя­ется произведением массы тела и его ускорения, вызванного данной силой.

Чаще всего говорят про силу и результат ее действия, но это применимо только к простейшему поступательному дви­жению тела. В движениях человека как системы тел, где все движения частей тела вращательные, изменение вращатель­ного движения зависит не от силы, а от момента силы.

Момент силы - это мера вращающего действия силы на тело. Он определяется произведением силы на ее плечо.

Момент силы обычно считают положительным, когда сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицатель­ным при повороте по часовой стрелке.

Чтобы сила могла проявить свое вращающее действие, она должна иметь плечо. Иначе говоря, она не должна прохо­дить через ось вращения.

Определение силы или момента силы, если известна мас­са или момент инерции, позволяет узнать только ускорение, т.е. как быстро изменяется скорость. Надо еще узнать, на­сколько именно изменится скорость. Для этого должно быть известно, как долго была приложена сила. Иначе говоря, сле­дует определить импульс силы (или ее момента).

Импульс силы - это мера воздействия силы на тело за данный промежуток времени (в поступательном движе­нии). Он равен произведению силы и продолжительности ее действия.

Любая сила, приложенная даже в малые доли секунды (например: удар по мячу), имеет импульс. Именно импульс силы определяет изменение скорости, силой же обусловлено только ускорение.

Во вращательном движении момент силы, действуя в те­чение определенного времени, создает импульс момента силы.

Импульс момента силы — это мера воздействия мо­мента силы относительно данной оси за данный промежу­ток времени (во вращательном движении).

Вследствие импульса как силы, так и момента силы воз­никают изменения движения, зависящие от инерционных свойств тела и проявляющиеся в изменении скорости (коли­чество движения, кинетический момент).

Количество движения — это мера поступательного дви­жения тела, характеризующая его способность передавать­ся другому телу в виде механического движения. Количество движения тела измеряется произведением массы тела на его скорость.

Кинетический момент (момент количества движе­ния) - это мера вращательного движения тела, характери­зующая его способность передаваться другому телу в виде механического движения. Кинетический момент равен про­изведению момента инерции относительно оси вращения на угловую скорость тела.

Соответствующее изменение количества движения происхо­дит под действием импульса силы, а под действием импульса момента силы происходит определенное изменение кинетическо­го момента (момента количества движения).

Таким образом, к ранее рассмотренным кинематическим мерам изменения движения (скорости и ускорению) добавляют­ся динамические меры изменения движения (количество движе­ния и кинетический момент). Совместно с мерами действия сил они отражают взаимосвязь сил и движения. Изучение их помога­ет понять физические основы двигательных действий человека.

Энергетические характеристики. При движениях че­ловека силы, приложенные к его телу на некотором пути, со­вершают работу и изменяют положение и скорость звеньев тела, что изменяет его энергию. Работа характеризует процесс, при котором меняется энергия системы. Энергия же ха­рактеризует состояние системы, изменяющейся вследствие работы. Энергетические характеристики показывают, как ме­няются виды энергии при движениях и протекает сам про­цесс изменения энергии.

Работа силы - это мера действия силы на тело при некотором его перемещении под действием этой силы. Она равна произведению модуля силы и перемещения точки при­ложения силы.

Если сила направлена в сторону движения (или под ост­рым углом к этому направлению), то она совершает положи­тельную работу, увеличивая энергию движения тела. Когда же сила направлена навстречу движению (или под тупым углом к его направлению), то работа силы отрицательная и энергия движения тела уменьшается.

Работа момента силы — это мера воздействия момента силы на тело на данном пути (во вращательном движении). Она равна произведению модуля момента силы и угла поворота.

Понятие работы представляет собой меру внешних воз­действий, приложенных к телу на определенном пути, вызы­вающих изменения механического состояния тела.

Энергия - это запас работоспособности системы. Ме­ханическая энергия определяется скоростями движений тел в системе и их взаимным расположением; значит, это энер­гия перемещения и взаимодействия.

Кинетическая энергия тела - это энергия его механи­ческого движения, определяющая возможность совершить работу. При поступательном движении она измеряется по­ловиной произведения массы тела на квадрат его скорости, при вращательном движении половиной произведения момен­та инерции на квадрат его угловой скорости.

Потенциальная энергия тела - это энергия его поло­жения, обусловленная взаимным относительным расположе­нием тел или частей одного и того же тела и характером их взаимодействия. Потенциальная энергия в поле сил тя­жести определяется произведением силы тяжести на раз­ность уровней начального и конечного положения над землей (относительно которого определяется энергия).

Энергия как мера движения материи переходит из одно­го вида в другой. Так, химическая энергия в мышцах превра­щается в механическую (внутреннюю потенциальную упруго-деформированных мышц). Порожденная последней сила тяги мышц совершает работу и преобразует потенциальную энер­гию в кинетическую энергию движущихся звеньев тела и вне­шних тел. Механическая энергия внешних тел (кинетичес­кая), передаваясь при их действии на тело человека его звень­ям, преобразуется в потенциальную энергию растягиваемых мышц-антаганистов и в рассеивающуюся тепловую энергию.

4 . Распределение масс частей тела

От распределения масс частей тела зависят многие сопро­тивления, которые встречают силы, действующие на тело. Эти сопротивления определяются силами тяжести и моментами инерции частей тела.

Наиболее общим показателем распределения масс в теле служит общий центр тяжести тела (ОЦТ). Как известно, центром тяжести называется точка тела, к которой как бы приложена равнодействующая всех сил тяжести тела. Во все стороны от этой точки, по любому направлению, моменты сил тяжести взаимно уравновешиваются. Равнодействующая параллельных сил, действующих на все частицы тела в любом направлении, приложена к ОЦТ; поэтому в этом случае ОЦТ называют еще центром массы, или центром инерции.

Расположение ОЦТ необходимо знать при изучении ста­тики для оценки условий равновесия тела. Путь движения - траектория ОЦТ - во многих случаях дает ценные сведения об особенностях движения тела, так как отражает действие внешних сил на тело. ОЦТ не может перемещаться иначе как под действием внешних сил. Одни внутренние силы никогда не могут изменить положение и путь ОЦТ в пространстве.

Общий центр тяжести тела располагается в зависимости от телосложения человека. У людей с более развитыми нога­ми ОЦТ относительно ниже, чем у людей с более мощной мускулатурой туловища и рук. У длинноногих людей ОЦТ анатомически расположен ниже, но он дальше от земли, чем у коротконогих.

В симметричных положениях человека, стоящего с опу­щенными руками, ОЦТ находится на уровне от первого до пятого крестцового позвонка (по Иваницкому), примерно на 4-5 см выше поперечной оси тазобедренных суставов. Переднезадняя плоскость, проходящая через ОЦТ, делит тело по­чти симметрично. Она несколько смещена вправо от средин­ной плоскости, так как правая половина тела человека тяжелее левой на 400-500 г, в связи с несимметричным располо­жением внутренних органов и неравномерным развитием двигательного аппарата. У правшей правая половина тела развита лучше и имеет большую массу. В переднезаднем на­правлении ОЦТ располагается между крестцом и лобком в зависимости от положения тела при стоянии.

Само собой разумеется, что с изменением формы тела, вслед­ствие иного расположения его частей, изменяет свое положе­ние и ОЦТ. При перемещении какой-либо части тела и ОЦТ смешается в том же направлении. Если переметающаяся часть тела имеет большую массу,   то и смещение ОЦТ больше.

Массы частей тела определяли путем распила заморо­женных трупов, а также путем измерения объема частей тела и уравновешивания живых людей в различных позах. Сред­ние данные, полученные этими различными методами, оказа­лись близкими друг к другу. Так, если вес тела человека при­нять за 100%, то вес головы составит 7%; туловища - 43%; бедра - 12%; голени - 5%; стопы - 2%; плеча - 3%; пред­плечья - 2% и кисти 1%.

Если средние данные более или менее близки, то данные отдельных людей могут значительно отличаться от этих сред­них в зависимости от телосложения.

Массы отдельных частей тела не остаются постоянными. В связи с тренировкой здесь могут происходить немалые из­менения. У спортсменов меньше отложения жира на тулови­ще и лучше развиты мышцы конечностей. Поэтому у них соотношение масс может быть иное, чем у людей, не занимаю­щихся спортом.

Массы тела могут также изменяться и в течение корот­ких промежутков времени. Например, прием пищи и воды может увеличить массу туловища; после разминки или со­ревнований прилив крови в расширенные сосуды мышц мо­жет увеличить массу конечностей.

Таким образом, относительные массы частей тела человека в конкретных случаях могут намного отличаться от точно вы­численных средних данных. Поэтому нет необходимости в очень большой точности при расчетах, производимых с практической целью. Вполне достаточно эти величины в процентах округ­лить, так как индивидуальные отклонения от них могут быть намного больше, чем на сотые и десятые доли процента.

Для положения ОЦТ имеет значение не только масса ча­стей тела, но и ее распределение в каждой части тела. Показателями этого служат центры тяжести частей тела. Центры тяжести длинных частей тела лежат приблизительно на их продольной оси, ближе к проксимальному сочленению. Так, расстояние от проксимального сочленения до центра тяжес­ти (радиус центра тяжести) составляет для бедра 0,44 его дли­ны, для голени 0,42, для плеча 0,47 и для предплечья 0,42. Такое распределение масс обусловлено большой массой мышц, окружающих проксимальные сочленения, особенно для бедра, голени и предплечья. Предплечья и голени имеют мышцы с отчетливо выраженным брюшком и тонким сухожилием. А на бедре в области тазобедренного сустава есть большие мас­сы коротких мышц - ягодичные, приводящие, запирательные и др. Этими особенностями и определяется неравномерное распределение масс в этих частях тела.

Строго говоря, при изменении напряжения мышц и их кро­венаполнения распределение масс в конечностях также несколь­ко изменяется. Но значительно больше оно изменяется у туло­вища, способного очень сильно изменять свою форму.

Принято считать, что центр тяжести туловища распола­гается на линии, соединяющей середины поперечных осей, про­веденных через центры плечевых и тазобедренных суставов. Эту линию центр тяжести туловища делит на отрезки, отно­сящиеся друг к другу как 4: 5, считая от головного конца. По сути дела, туловище - не отдельное звено, а система звеньев, обладающая большой подвижностью. Кроме того, надо учи­тывать изменение распределения масс туловища при вдохе, когда внутренние органы брюшной полости оттесняются вниз, а грудная клетка, наполненная воздухом, имеет меньший удельный вес. При некоторых положениях отдельные органы брюшной полости могут смещаться на значительное расстоя­ние (до 20 см).

Значит, при всех расчетах положения ОЦТ имеются очень большие погрешности, связанные с тем, что подвижно соеди­ненные части тела и части тела, в которых изменяется рас­пределение масс, принимаются за неизменяемые тела. Лишь у головы расположение центра тяжести сзади турецкого сед­ла клиновидной кости довольно постоянно, но и оно может измениться при движениях нижней челюсти.

Расположение ОЦТ обусловлено половыми и возрастны­ми особенностями. У детей, имеющих большую массу тулови­ща и головы,   ОЦТ располагается выше,   чем у взрослых. У женщин, в связи с присущей им пропорцией тела, в частности с более массивным тазовым поясом, ОЦТ располагается ниже, чем у мужчин.

Для определения действия сил окружающей среды при изучении движений человека в водной среде, а также в полете в воздухе с большой скоростью необходимо знать расположе­ние центра объема (ЦО)   и центра поверхности (ЦП) .

Центр объема тела расположен в точке пересечения плос­костей, делящих тело на две равные по объему половины. С погружением в воду на тело действуют силы давления воды. Точка приложения равнодействующей всех сил давления воды на поверхность тела и называется центром объема тела. ЦО можно рассматривать так же, как ОЦТ объема воды, вытес­ненной погружением тела человека в воду и имеющей форму погруженных частей тела.