Biomecanica este o ramură a științelor naturii care studiază, pe baza modelelor și metodelor mecanicii , proprietățile mecanice ale țesuturilor vii, ale organelor individuale sau ale organismului în ansamblu, precum și fenomenele mecanice care au loc în ele.
Cercetarea biomecanică acoperă diferite niveluri de organizare a materiei vii: macromolecule biologice, celule, țesuturi, organe, sisteme de organe, precum și organisme întregi și comunitățile lor.
Cel mai adesea, obiectul de studiu al acestei științe este mișcarea animalelor și a oamenilor, precum și fenomenele mecanice în țesuturi, organe și sisteme. Sub mișcarea mecanică se înțelege mișcarea întregului biosistem în ansamblu, precum și mișcarea părților individuale ale sistemului unele față de altele - deformarea sistemului. Toate deformațiile din biosisteme sunt asociate cu procese biologice care joacă un rol decisiv în mișcările animalelor și ale oamenilor. Aceasta este contracția musculară, deformarea tendonului, osului, ligamentelor, fasciei, mișcarea articulațiilor.
O zonă separată a biomecanicii este biomecanica aparatului respirator, rezistența sa elastică și inelastică, cinematica (adică caracteristica geometrică a mișcării) și dinamica mișcărilor respiratorii, precum și alte aspecte ale activității respiratorii. aparatul ca întreg și părțile sale (plămâni, torace); biomecanica circulatorie studiază proprietățile elastice ale vaselor de sânge și ale inimii, rezistența hidraulică a vaselor de sânge la fluxul sanguin, propagarea vibrațiilor elastice de-a lungul peretelui vascular, mișcarea sângelui, activitatea inimii etc.
Biomecanica umană este o știință complexă. Include o mare varietate de cunoștințe ale altor științe, cum ar fi mecanica și matematica , anatomia funcțională și fiziologia, anatomia și fiziologia legate de vârstă , pedagogia și teoria culturii fizice .
Mișcările unor părți ale corpului uman sunt mișcări în spațiu și timp care sunt efectuate în multe articulații simultan și secvenţial. Mișcările articulațiilor în forma și natura lor sunt foarte diverse, depind de acțiunea multor forțe aplicate. Toate mișcările sunt combinate în mod natural în acțiuni organizate integral pe care o persoană le controlează cu ajutorul mușchilor. Având în vedere complexitatea mișcărilor umane, biomecanica explorează atât aspectele lor mecanice, cât și biologice, și neapărat în relație strânsă.
Deoarece o persoană efectuează întotdeauna acțiuni semnificative, este interesată de modul în care poate fi atins obiectivul, cât de bine și de ușor funcționează în condiții date. Pentru ca rezultatul mișcării să fie mai bun și mai ușor de realizat, o persoană ia în considerare și folosește în mod conștient condițiile în care se realizează mișcarea. În plus, învață să execute mișcările mai perfect. Biomecanica umană ia în considerare aceste abilități, care diferă semnificativ de biomecanica animală.
Astfel, biomecanica umană studiază în ce mod și ce condiții pentru efectuarea acțiunilor sunt mai bune și cum să le stăpânească. Sarcina generală a studierii mișcărilor este de a evalua eficiența aplicării forțelor pentru atingerea scopului. Orice studiu al mișcărilor are ca scop în cele din urmă să vă ajute să le executați mai bine. Inainte de a trece la dezvoltarea celor mai bune modalitati de actiune este necesara evaluarea celor existente. De aici rezultă sarcina generală a biomecanicii, care se reduce la evaluarea eficacității metodelor de realizare a mișcării studiate. Biomecanica investighează modul în care energia mecanică rezultată de mișcare și tensiune poate dobândi o aplicație de lucru. Efectul de lucru este măsurat prin modul în care este utilizată energia consumată. Pentru a face acest lucru, determinați ce forțe fac muncă utilă, care sunt acestea prin origine, când și unde sunt aplicate. Același lucru trebuie știut despre forțele care produc muncă dăunătoare care reduce eficiența forțelor utile. Un astfel de studiu face posibilă tragerea de concluzii cu privire la modul de creștere a eficacității acțiunii. Atunci când se rezolvă problema generală a biomecanicii, apar numeroase probleme particulare, care nu oferă doar o evaluare directă a eficienței, ci și care decurg din problema generală și subordonată acesteia.
Metoda biomecanicii este o analiză de sistem și o sinteză de sistem a mișcărilor bazată pe caracteristici cantitative, în special, modelarea cibernetică a mișcărilor. Biomecanica, ca știință experimentală, empirică, se bazează pe studiul experimental al mișcărilor. Cu ajutorul instrumentelor se înregistrează caracteristici cantitative, de exemplu, traiectorii de viteză, accelerație etc., care fac posibilă distingerea mișcărilor și compararea lor între ele. Având în vedere caracteristicile, ei împart mental sistemul de mișcări în părțile sale componente - stabilește-i compoziția. Aceasta este esența analizei sistemelor.
Sistemul de mișcare în ansamblu nu este doar suma părților sale constitutive. Părți ale sistemului sunt unite prin numeroase interconexiuni, dându-i noi calități care nu sunt conținute în părțile sale (proprietățile sistemului). Este necesar să se reprezinte această uniune, să se stabilească modul în care părțile din sistem sunt interconectate - structura ei. Aceasta este esența sintezei sistemului. Analiza sistemului și sinteza sistemului sunt indisolubil legate între ele, ele sunt complementare într-un studiu structural de sistem.
În studiul mișcărilor în procesul de dezvoltare a analizei și sintezei sistemului din ultimii ani, a fost din ce în ce mai utilizată metoda modelării cibernetice - construirea de modele controlate (electronice, matematice, fizice etc.) ale mișcărilor și modelelor corpul uman.
Biomecanica clinică (medicală) este o parte integrantă a științelor medicale: ortopedie , traumatologie , protetică , reabilitare ( fizioterapie ), pediatrie , fiziologie și multe altele. alții.
Biomecanica clinică este o direcție științifică în care, din punctul de vedere al mecanicii și al teoriei generale a controlului, cu ajutorul metodelor de cercetare de specialitate, se studiază activitatea motrică umană în condiții normale și patologice [1] .
Secțiuni principale:
Fenomene studiate:
Principalele metode de cercetare:
Ca disciplină științifică independentă, biomecanica exercițiilor fizice îmbogățește teoria educației fizice, explorând unul dintre aspectele exercițiilor fizice - tehnica. În același timp, biomecanica exercițiilor fizice este direct utilizată în practica educației fizice. Ca disciplină academică, biomecanica cuprinde principalele prevederi ale doctrinei mișcărilor, o experiență generalizată și sistematizată în studierea legilor obiective generale. Obiectul cunoașterii biomecanicii îl reprezintă acțiunile motorii ale unei persoane ca un sistem de mișcări și poziții active conectate reciproc ale corpului său. Sarcinile biomecanicii sportive sunt:
Biomecanica exercițiilor fizice este împărțită în generală, diferențială și particulară.
Biomecanica ocupă o poziţie specială în rândul ştiinţelor educaţiei fizice şi sportului. Se bazează pe anatomie, fiziologie și discipline științifice fundamentale - fizică (mecanica), matematică, teoria controlului. Interacțiunea biomecanicii cu biochimia, psihologia și estetica a dat naștere unor noi direcții științifice, care, abia s-au născut, aduc deja mari beneficii practice. Printre acestea se numără „psihobiomecanica”, aspecte energetic-statice și estetice ale biomecanicii.
O parte integrantă a științei biomedicale Protetica
Biomecanica sportivă este o secțiune a biomecanicii care studiază tehnica efectuării acțiunilor motorii sportive.
O parte integrantă a științei ergonomiei ( sănătatea muncii ).
Biomecanica teoretică este o știință bazată pe aplicarea metodologiei matematice și a aparatelor matematice.
Biomecanica calculatoarelorUna dintre ramurile biomecanicii teoretice este biomecanica computerizată, modelarea computerizată. Se dezvoltă intens, completând biomecanica teoretică cu noi cunoștințe.
Ca teatru, termenul a fost introdus de V. E. Meyerhold în practica sa de regie și predare la începutul anilor 1920. pentru a face referire la noul sistem de instruire a actorilor . „Biomecanica caută să stabilească experimental legile mișcării actorului pe scenă, elaborând exercițiile de antrenament ale jocului actorului pe baza normelor de comportament uman”. (V. E. Meyerhold.) Biomecanica teatrală, în partea sa teoretică, s-a bazat, pe de o parte, pe conceptul psihologic al lui W. James (pe primatul reacției fizice în raport cu reacția emoțională), pe reflexologia lui V. M. Bekhterev și pe experimentele lui I. P. Pavlova . Pe de altă parte, biomecanica a fost aplicarea ideilor școlii americane de organizare a muncii a adepților lui F. W. Taylor în domeniul actoriei (așa-numita „Taylorization of theatre”): , care garantează acuratețea mișcărilor. care contribuie la implementarea rapidă a sarcinii. (V. E. Meyerhold.) Biomecanica lui Meyerhold este strâns împletită cu biomecanica științifică, care a fost creată la Institutul Central al Muncii de A. K. Gastev [4] . În partea practică a dezvoltării exercițiilor biomecanice pentru actor, a fost folosită experiența teatrului trecut: tehnica scenică a comediei dell'arte, metodele actoricești ale lui E. Duse, S. Bernard, J. Grasso, F. .Chaliapin, J. Coquelin etc. Tehnica biomecanica s-a opus altor scoli de actorie: „interior” si „experiente”, conduse de la miscarea externa la cea interna. Potrivit lui Meyerhold, un actor-biomecanist trebuia să aibă o capacitate naturală de excitabilitate reflexă și bunăstare fizică (un ochi precis, coordonarea mișcărilor, stabilitate etc.). Studiile biomecanice de antrenament create de Meyerhold au avut o schemă generală: „refuzul” este o mișcare opusă scopului; „legatură de joc” - intenție, implementare, reacție. „Biomecanica este chiar primul pas către mișcarea expresivă” ( S. M. Eisenstein ) [5] .
Istoria biomecanicii este indisolubil legată de istoria tehnologiei, fizicii, biologiei și medicinei, precum și cu istoria culturii fizice și a sportului. Multe realizări ale acestor științe au determinat dezvoltarea doctrinei mișcării ființelor vii.
Biomecanica modernă nu poate fi imaginată fără legile mecanicii descoperite de Arhimede , Galileo, Newton , fără fiziologia lui Pavlov , Sechenov , Anokhin și fără tehnologiile computerizate moderne.
Biomecanica este una dintre cele mai vechi ramuri ale biologiei . Originile sale au fost lucrările lui Aristotel , Galen , Leonardo da Vinci [6] .
În lucrările sale de științe naturale „Părți ale mișcării și mișcării animalelor”, Aristotel a pus bazele pentru ceea ce mai târziu, după 2300 de ani, va fi numită știința biomecanicii. În tratatele sale științifice, el descrie lumea animală și modelele de mișcare ale animalelor și ale oamenilor cu gândirea sa caracteristică. A scris despre părțile corpului necesare mișcării în spațiu (locomoție), despre mișcările voluntare și involuntare, despre motivația mișcărilor animalelor și ale oamenilor, despre rezistența mediului, despre natura ciclică a mersului și alergării, despre capacitatea ființelor vii de a se pune în mișcare...
Cel mai mare om de știință medical al antichității (după Hipocrate ) a fost Claudius Galen (131-201 d.Hr.). În conformitate cu viziunea despre lume a timpurilor străvechi, Galen a înțeles integritatea corpului. El a scris:
„În totalitatea părților, totul este de comun acord și... totul contribuie la activitatea fiecăruia dintre ele”.
Studiul nervilor i-a permis lui Galen să concluzioneze că nervii, în funcție de caracteristicile lor funcționale, sunt împărțiți în trei grupe: cei care merg la organele de simț îndeplinesc funcția de percepție, cei care merg la mușchi controlează mișcarea și cei care merg la nivelul organelor de simț. organelor le protejează de leziuni. Lucrarea sa principală este Despre numirea părților corpului uman. Galen a arătat experimental că membrul este îndoit alternativ de interior, apoi extins de mușchii externi. Deci, descriind cel de-al cincilea mușchi, cel mai mare, în opinia sa, dintre toți mușchii corpului, care aduc coapsa și constă din mușchi mari, medii și mici, atașați la părțile interioare și posterioare ale femurului și coborând aproape până la genunchi. articulație, el, analizând funcția acesteia, a scris:
„Fibrele posterioare ale acestui mușchi, care provin din ischion, întăresc piciorul prin încordarea articulației. Nu mai puțin puternic această acțiune este produsă de porțiunea inferioară a fibrelor care provin din osul pubian, la care se adaugă o ușoară mișcare de rotație spre interior. Deasupra fibrelor lor culcate aduc coapsa spre interior la fel ca cele de sus și în același timp ridică ușor coapsa.
[7] . Dezvoltarea mecanicii în Evul Mediu a fost influențată semnificativ de studiile lui Leonardo da Vinci (1452-1519) privind teoria mecanismelor, frecarea și alte probleme. Studiind funcțiile organelor, a considerat corpul ca un model al „mecanicii naturale”. Pentru prima dată a descris o serie de oase și nervi, a acordat o atenție deosebită problemelor de anatomie comparată, încercând să introducă metoda experimentală în biologie. Acest mare artist , matematician , mecanic și inginer a exprimat pentru prima dată cea mai importantă idee pentru biomecanica viitoare:
„Știința mecanicii este atât de nobilă și utilă mai mult decât toate celelalte științe, deoarece toate corpurile vii care au capacitatea de a se mișca acționează conform legilor sale.”
Succesul său ca mare artist depinde și în mare măsură de orientarea biomecanică a picturilor sale - ele descriu tehnica mișcării în detaliu. Observațiile sale, evidente astăzi, au fost revoluționare în Evul Mediu. De exemplu,
„Mușchii încep și se termină întotdeauna în oasele alăturate și nu încep și nu se termină niciodată pe același os, deoarece nu puteau mișca nimic, în afară de ei înșiși.”
[8] . Leonardo, desigur, este fondatorul anatomiei funcționale, o parte integrantă a biomecanicii. El nu a descris doar topografia mușchilor, ci și semnificația fiecărui mușchi pentru mișcarea corpului.
Fondatorul științei biomecanicii este considerat a fi Giovanni Borelli , un naturalist italian. Profesor la Universitățile din Messina (1649) și Pisa ( 1656 ). Pe lângă munca în domeniul fizicii, astronomiei și fiziologiei, el a dezvoltat întrebări de anatomie și fiziologie din punctul de vedere al matematicii și mecanicii . El a arătat că mișcarea membrelor și a părților corpului la oameni și animale la ridicarea greutăților, mersul, alergarea, înotul poate fi explicată prin principiile mecanicii, pentru prima dată a interpretat mișcarea inimii ca o contracție musculară, studiind mecanica. a mișcării toracelui, a stabilit pasivitatea expansiunii plămânilor.
Cea mai cunoscută lucrare a omului de știință este „Mișcarea animalelor” („De Motu Animalium”). Predarea sa se bazează pe principii biomecanice solide, în lucrarea sa a descris principiile contracției musculare și a prezentat pentru prima dată scheme matematice ale mișcării. El este primul care a folosit un model biomecanic pentru a explica mișcarea într-un sistem biomecanic.
Un nou impuls pentru dezvoltarea biomecanicii a fost asociat cu inventarea metodei de filmare a mișcării umane. Fiziolog , inventator și fotograf francez . Etienne Marey ( 1830-1904 ) a fost primul care a folosit fotografia de film pentru a studia mișcările umane. De asemenea, pentru prima dată, a aplicat metoda de aplicare a markerilor pe corpul uman - un prototip al viitoarei ciclografii. O etapă importantă în istoria biomecanicii l-au constituit ciclurile de fotografii realizate de mai multe aparate din diferite puncte de vedere, realizate de E. Muybridge ( 1830-1904 ) (SUA). O serie de fotografii („Galloping Horse”, 1887) au arătat frumusețea extraordinară a plasticității mișcărilor reale. De atunci, fotografia de film a fost folosită pentru a analiza mișcările ca una dintre principalele metode ale biomecanicii. Începutul analizei mișcării umane a fost pus de frații Weber (1836) în Germania. Prima analiză matematică tridimensională a mersului uman a fost efectuată de Wilhelm Braun și elevul său Otto Fischer în 1891. Metodologia analizei mersului nu s-a schimbat până în prezent. În plus, Brown și Fisher au fost primii care au studiat masa, volumul și centrul de masă al corpului uman (prin efectuarea de studii pe cadavre) și au obținut date care au fost folosite de mult timp ca standard biomecanic. Ei au propus, de asemenea, o metodă pentru determinarea masei segmentelor corpului și a volumului acesteia, folosind imersarea părților corpului în apă. Astfel, au fost obținute date privind modificările legate de vârstă în centrele de masă. Cercetările lui Brown și Fisher au marcat începutul unei noi ere în biomecanica - biomecanica mersului , iar perioada din a doua jumătate a secolului al XIX-lea a început să fie numită secolul mersului .
Creatorul bazei teoretice a biomecanicii moderne - doctrina activității motorii a oamenilor și a animalelor - poate fi considerat pe bună dreptate Nikolai Alexandrovich Bernshtein ( 1896 - 1966 ) [9] .
Teoria controlului pe mai multe niveluri al mișcărilor, inclusiv al locomoțiilor umane, creată de Bernstein, a pus bazele dezvoltării de noi principii pentru înțelegerea activității vitale a unui organism. Concentrându-se pe problema activității organismului în raport cu mediul, Bernstein a combinat biomecanica și neurofiziologia într-o singură știință a fiziologiei mișcărilor [10] . Conceptul lui N. A. Bernstein despre sarcina motrică ca bază mentală a acțiunilor umane a deschis calea studierii nivelurilor superioare de conștiință în activitatea motrică umană. Problemele de formare, structura și rezolvarea sarcinii motorii au fost supuse unei dezvoltări detaliate. Aceste aspecte au început să fie luate în considerare în strânsă legătură cu structura compoziției motorii a acțiunii ca sistem de mișcări [11] . O serie de lucrări ale lui Bernstein sunt dedicate studiului dinamicii forțelor musculare și structurii de inervație a actelor motorii. A introdus îmbunătățiri fundamentale în tehnica de înregistrare și analiză a mișcărilor (kimociclograma, ciclogrametrie). Unele dintre ideile exprimate de Bernstein în anii 1930 au anticipat principalele principii ale ciberneticii. Bernstein deține una dintre primele formulări clare ale conceptului de feedback în fiziologie, precum și ideea unei organizări la nivel a mișcărilor. Datorită insuficienței conceptului de „arc reflex” pentru a explica actele motorii, Bernstein a introdus conceptul de „inel reflex”, bazat pe interpretarea întregului sistem de relații dintre organism și mediu ca un proces ciclic continuu.
În 1926, pe baza cercetărilor din laboratorul biomecanic al Institutului Central al Muncii , N. A. Bernstein a publicat Biomecanica generală ca prima parte a Fundamentelor predării mișcărilor umane. Este important de menționat că în manualul „Fiziologia umană” [12] , publicat în 1946 (sub redactia lui M. E. Marshak), este deja prezentată pe deplin învățătura lui N. A. Bernstein despre coordonarea mișcărilor, fără de care este imposibil să ne imaginăm modern. biomecanica [13] .
În ultimele decenii, studii unice privind biomecanica și neurofiziologia mersului normal și a mersului la pacienții cu diferite boli ale sistemului musculo-scheletic și nervos au fost efectuate de AS Vitenzon [14] . Pe baza acestor studii, el a propus conceptul de compensare a defectelor motorii și de reglare a activității musculare în timpul mersului patologic [15] .