ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.12.2021
Просмотров: 427
Скачиваний: 2
Основи біофізики і біомеханіки
15
умови та стимули для компенсації чи посилення дії періодичних умов
природних чи штучних джерел впливу;
–
екологічна гео-біофізика
– дослідження, класифікація біофізичних
аномалій геофізичного та антропогенного походження, контроль та
запобігання і профілактика їх негативного впливу;
–
біофізичні продуктивні технології
– біонічний, нанотехнологічний,
фармакологічний, харчовий чи біопродуктивний напрямки (отримання
біогазу, рідке біопальне чи технічні розчинники та масла, селективні та
конструкційні матеріали тощо).
Сучасний етап розвитку біофізики характеризується тим, що на
перший план виступає проблема формулювання основних теоретичних
понять, які відображають фундаментальні механізми взаємодій у
біологічних системах на молекулярному рівні. Разом із цим специфіка
біологічних систем проявляється в своєрідності фізичних механізмів
молекулярних процесів, а принципова особливість – у тому, що характерні
параметри елементарної взаємодії можуть змінюватися залежно від
умов їх протікання в організмі. Наприклад, ефективність швидкостей
окремих елементарних актів перенесення електрону при фотосинтезі
не тільки змінюється протягом життєвого циклу, але є різною у різних
сортах рослин, які відрізняються за фізіолого-біологічними показниками і
продуктивністю. Це означає, що молекулярні процеси і механізми
взаємодії не тільки залежать від локального оточення у біологічних
системах, але і самі виступають об’єктом цілеспрямованого фізіологічно-
біохімічного ранжування. В цьому і полягає необхідність і специфіка
біофізичних досліджень явищ у біологічних системах.
Методи дослідження у біофізиці базуються на підході розгляду
організму людини як відкритої біологічної системи – системи, компоненти
якої функціонують в умовах обміну енергією та речовиною з навколишнім
середовищем. Усі результати отримують через експериментальні дослі-
дження. Експериментальна робота з біологічними об’єктами ставить
своєю задачею моделювання процесів, котрі протікають у біологічній
системі. Таке моделювання є основою наукового вивчення явищ, але
звісно, вчений повинен дуже уважно обирати моделі, щоб вони відповідали
реальним ситуаціям і процесам у біосистемах. Моделі в біофізиці
засновуються на безпосередніх, отриманих при прямих експериментах,
відомостях про реальні молекулярні властивості біологічної системи і
не повинні являти собою результат простого перенесення з фізики у
біологію готових схем ззовні схожих процесів.
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
16
§ 1.2. ПРЕДМЕТ, МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ, ІСТОРІЯ
РОЗВИТКУ БІОМЕХАНІКИ
Перша наша задача полягає в тому, щоб
зайнятися тією прекрасною машиною, котра
нам близька, – людським організмом. Ця машина
володіє розкішшю механіки – автоматизмом і
прудкістю включення. Чи її не вивчати? У людському
організмі є мотор, «передача», амортизатори, є
якнайтонші регулювальники і навіть манометри.
Все це вимагає вивчення і використання. Має
бути особлива наука – біомеханіка …
А. К. Гастєв
Окремо в біофізиці розглядаються закономірності будови рухового
апарату людини, її рухових якостей і рухової діяльності. Цей напрямок
біофізики має назву
біомеханіка
. Сьогодні біомеханіка відокремилася
у самостійну науку.
Термін «біомеханіка» складається з двох грецьких слів «
bios
» –
життя, «
mexane
» – знаряддя. Як відомо, механіка – це розділ фізики,
який вивчає механічний рух і механічну взаємодію матеріальних тіл.
Звідси зрозуміло, що
біомеханіка
– це наука, яка досліджує механічні
властивості тканин, органів і систем живого організму та вивчає механічні
явища, котрі супроводжують процеси життєдіяльності, рухові можливості
і рухову діяльність людини.
Об’єктом
науки є тканини, органи і системи
живого організму і рухові дії, як система взаємопов’язаних активних
дій і положень тіла людини, а
предметом
– механічне обґрунтування
тієї чи іншої рухової діяльності організму.
Іншими словами,
біомеханіка – це механіка живих тіл
. Користуючись
методами теоретичної та прикладної механіки, ця наука досліджує
деформацію структур елементів тіла, течію рідини і газів у живому
організмі, рух у просторі частин тіла, стійкість і управління рухів та
інші питання, які є доступними вказаним методам.
На основі цих досліджень можуть бути складені біомеханічні
характеристики органів і систем організму, знання яких є важливою
передумовою для вивчення процесів регуляції.
До останнього часу основні дослідження у галузі біомеханіки були
пов’язані з вивченням лише рухів людини і тварини. Однак сфера цієї
науки швидко розширюється, і зараз вона включає в себе також вивчення
дихальної системи, систем кругообігу тощо. В останні часи отримані
дані з вивчення еластичного і нееластичного опору грудинної клітини,
Основи біофізики і біомеханіки
17
рухів газів у дихальній системі. Сьогодні є спроби узагальненого
підходу до аналізу рухів крові з позиції механіки суцільних середовищ.
Зокрема, вивчаються коливання судинної сітки. Доведено, що з точки
зору механіки структура судинної системи є оптимальною для виконання
своїх транспортних функцій. Сучасні дослідження в біомеханіці з’ясували
специфічні властивості багатьох тканин тіла: експоненційність (неліній-
ність) зв’язку між напругою і деформацією; істотну залежність деформації
від часу тощо.
Виникненню і розвитку біомеханіки, як самостійної науки, сприяло
накопичення знань у сфері фізичних і біологічних наук, а також біотехніки
для вивчення рухової діяльності. Основи біотехніки були закладені ще
в далекі часи. ЇЇ початок лежить у роботах
Аристотеля
і
Галена
, які
присвячені аналізу рухів тварин і людини.
Лише завдяки роботам одного з видатних людей епохи Відродження –
Леонардо да Вінчі
– біомеханіка зробила наступний крок. Він описав
механіку тіла при ходьбі вгору і вниз, при стрибках; відносно вивчення
рухів людини за механічними законами він наголосив: «
Наука
механіка тому така благородна і важча за всі інші науки, що як
виявилося, всі живі організми, що мають властивість до руху, діють
за її законами
». Це була нова і смілива ідея для того часу. Вивчення
польоту птахів призвело Леонардо да Вінчі до створення проекту
першого літального апарату типу планера, в якому передбачалося
використання для польоту сили м’язів людини.
Трохи пізніше
Галілео Галілей
закладає основи механіки, а
Вільям
Гарвей
пояснює механізм кругообігу крові. Ці дослідження стали
джерелом ідей порівняння живого організму з машинами, які працюють за
законами механіки.
Декарт
(1596-1650) закладає основи рефлекторної
теорії і показує, що причиною рухів може бути конкретний фрагмент
зовнішнього середовища, який впливає на органи відчуття.
Наприкінці XVI століття
Роберт Гук
формулює закон механіки про
поведінку твердого тіла під напругою, який було покладено в основу
біомеханічного пояснення роботи м’язів. Подальші дослідження рухів
людини і тварини пов’язані з іменем італійського лікаря і математика
XVII століття
– Джовані Борелі
. Своєю книгою «Про рухи тварин» він
поклав початок розвитку біомеханіки. Він розглядав організм людини, як
машину, і намагався пояснити дихання, рух крові і роботу м’язів з
позицій механіки.
Відкриття
Ісааком Ньютоном
трьох основних законів механіки
закінчило формування базису для біомеханічних досліджень. Багато зробив
для вивчення рухів людини і, особливо для розробки об’єктивних методів
реєстрації рухів, французький фізіолог
Етьєн Жюль Марей
.
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
18
Спочатку з’явився розділ науки механіки, який займався дослідженням
цілеспрямованих рухів людини, а вже пізніше утворилася біомеханіка –
як розділ біології, який вивчав механічні властивості живих тканин,
органів і організму в цілому, а також механічні явища, які відбуваються в
ньому (при рухах, диханні і т. ін.). Перші кроки у детальному вивчені
біомеханіки рухів було зроблено лише наприкінці XIX століття німецькими
вченими
Браном
і
Фішером
, які розробили досконалу методику реєстрації
рухів, детально вивчили динаміку переміщення кінцівок і загального
центру тяжіння (ЗЦТ) людини при ходьбі.
П. Лесгафтом
(1837-1909) на основі динамічної анатомії була
створена біомеханіка фізичних вправ. Великий внесок у пізнання рівнів
регуляції рухів зробив російський учений
М. О. Бернштейн
(1880-
1968), який теоретично обґрунтував процеси управління рухами з
позицій загальної теорії великих систем. Нейрофізіологічні концепції
М. О. Бернштейна склали підстави формування сучасної теорії біомеханіки
рухів людини.
На становлення біомеханіки вплинули роботи таких вчених як
І. Сеченов
(1829-1905),
А. Ухтомський
(1875-1942). За визначенням
А. Ухтомського, біомеханіка досліджує «
яким чином утворюється
механічна енергія руху, і тиск може мати робочу приналежність
».
Ним показано, що сила м’язів, при інших однакових умовах, залежить
від його поперечного перетину (чим більшим є поперечний перетин
м’язу, тим більший вантаж він може підняти).
У середині XX століття вчені створили протез руки, який управляється
електронними сигналами, що надходять з нервової системи. У 1957 р.
у СРСР було сконструйовано модель руки (кисті), яка виконувала
біометричні команди типу «зімкнути-розімкнути», а у 1964 р. створений
протез зі зворотнім зв’язком, тобто протез, від якого безперервно до
центральної нервової системи надходила інформація про силу зімкнення-
розімкнення кисті, про напрямок руху руки тощо. Американські спеціалісти
(Шредер, 1964р.) створили протез ноги при ампутації останньої вище
коліна. Було виготовлено гідравлічну модель колінного суглобу, яка
дозволяла досягти природної ходьби. Конструкція передбачала
нормальну висоту підйому п’яти і витягування ноги при її відведенні
незалежно від швидкості ходьби.
Біомеханічні дослідження дозволили створити новий тип взуття,
обладнання і техніки управління ними (велосипеди, горні і гоночні лижі,
човни для греблі та інше). Вивчення гідродинамічних характеристик
риб і дельфінів дало можливість створити специфічні костюми для плавців,
змінити техніку плавання, що сприяло підвищенню швидкості плавання.
Основи біофізики і біомеханіки
19
Сучасна біомеханіка розвивається за декількома напрямками:
інженерна біомеханіка
– пов’язана з будівництвом робототехніки;
медична біомеханіка
– досліджує причини, наслідки і способи
профілактики травматизму, міцність опорно-рухової системи, питання
протезування;
ергономічна біомеханіка
– досліджує взаємодію людини з
оточуючим середовищем для оптимізації цієї взаємодії;
спортивна біомеханіка
.
Закономірності рухів залежать від особливостей будови і функцій
організму. Для вивчення рухових дій опорно-руховий апарат людини
розглядають як біомеханічну систему. Рухи людини в біомеханіці
розглядаються як системи рухів. Тому
методи дослідження в біомеханіці
базуються на системному підході і системному аналізі рухів їх кількісних
характеристик, у тому числі кібернетичного моделювання. При дослі-
дженнях в біомеханіці вивчають біомеханічні (кінематичні, динамічні)
характеристики руху людини.
Процедура аналізу рухової діяльності (біомеханічного аналізу рухової
діяльності) складається з наступних етапів:
1.
Вивчення зовнішньої картини рухової діяльності
. Розглядаючи
складну рухову дію, як систему рухів, спочатку в цій системі виділяються
її складові частини. З’ясовують, з яких рухових дій вона складається і
в якому порядку ці дії здійснюються одна за одною. При цьому вико-
ристовують системний аналіз, тобто представлення системи через
складові частини.
На першому етапі аналізу, при вивченні зовнішньої картини рухової
діяльності, досліджують кінематику рухів, реєструють
кінематичні
характеристики
. Особливо важливо знати тривалість окремих частин
руху (фаз), графічним відображенням чого є
хронограма
(
рис. 1.2.1.
).
Хронограма рухової дії характеризує техніку, а хронограма рухової
діяльності – те, чому приділяють увагу при аналізі спортивної тактики.
2.
З’ясування причин, які викликають і змінюють рухи
. Вони є
недосяжними візуальному контролю, і для їхнього аналізу потрібно
досліджувати динаміку рухів, реєструвати
динамічні характеристики
.
Важливе значення тут мають величини сил, що діють на людину ззовні
і які створюються його власними м’язами. На підставі вивчення змін їх
кількісних характеристик встановлюють закон взаємодії рухів у системі;
з’ясовують, як елементи впливають один на одного.
3.
Визначення топографії працюючих м’язів
. На цьому етапі
з’ясовується, які м’язи і яким чином беруть участь при виконанні
певної вправи. Це дозволяє з багатьох фізичних вправ обрати ті, що