ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 18.12.2021
Просмотров: 711
Скачиваний: 3
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
164
упорі лежачи, розгинаючи руки з положення, коли плечі розімкнуті у
плечових суглобах можна тягою згиначів плеча (передня частина
дельтовидного м’язу) допомагати трьохглавому м’язу плеча розгинати
ліктьовий суглоб. Також можна тягою інших м’язів (великий грудний
м’яз спини) допомагати трьохглавому м’язу плеча.
Інший приклад. Коли ноги знаходяться у незамкненій системі,
двосуглобні м’язи (півсухожильний, півперепончатий, довга голівка
двоглавого м’язу стегна), які проходять ззаду поперечної вісі
колінного суглобу, згинають його; при відштовхуванні від опори
(система замикається) ці ж м’язи, розгинаючи тазостегновий суглоб,
вже розгинають колінний суглоб.
§ 7.4. БІОМЕХАНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ РУХІВ ЛЮДИНИ.
КІНЕМАТИЧНІ ТА ДИНАМІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ РУХІВ
ЛЮДИНИ
У біокінематичних ланцюгах тіла людини рух може передаватися
від ланки до ланки. Наприклад, рух кисті руки при підйомі якогось
вантажу може бути результатом руху ноги і тіла, а також руху у
суглобах руки. Рух кисті, в цьому випадку, складається з сукупності
рухів інших ланок. Тому цей рух є
складним
рухом, і для його аналізу
застосовуються усі принципи складного руху твердого тіла.
Складний рух утворюється з декількох рухів, які складають цей рух
у єдиний біокінематичний ланцюг. У найпростіших випадках у
механіці додаються два або більше
поступальних
10
рухів. Але
переважно в рухах людини поступальні і обертальні
11
компоненти
присутні одночасно, причому руховий апарат людини побудований
таким чином, що усі рухи (в тому числі і поступальні) створюються з
комбінацій обертальних рухів у суглобах.
Біомеханічні характеристики описують поступальні і обертальні
рухи. Ці характеристики поділяються на:
кінематичні, динамічні,
енергетичні
(табл. 7.4.1.). Вони мають різне призначення: кінематичні –
характеризують зовнішню картину рухової діяльності; динамічні –
несуть інформацію про причини змін рухів; енергетичні – дають уяву
про механічну продуктивність і економічність.
10
Поступальним
називається такий рух, при якому всі точки тіла рухаються за
однаковими траекторіями.
11
Обертальним
називається такий рух, при якому всі точки тіла рухаються за круговими
траекторіями, центри яких лежать на осі обертання.
Основи біофізики і біомеханіки
165
Таблиця 7.4.1.
Класифікація біомеханічних характеристик
Кінематичні
Динамічні
Енергетичні
Для
поступального
руху
Для
обертального
руху
Для
поступального
руху
Для
обертального
руху
Для поступального і
обертального руху
Переміщення –
S
, м
Тривалість –
t
, с
Швидкість
–
v
, м/с
Прискорення
–
а
, м/с²
Темп
–
1/хв
Ритм
Переміщення –
φ
, рад (град.)
Тривалість
–
t
, с
Швидкість
–
ω
,
рад/с (град/с)
Прискорення
–
ε
, рад/с (град/с)
Темп –
1/хв
Ритм
Маса
–
m
, кг
Сила
–
F
, Н
Імпульс сили
І =F*S
, Н∙ с
Кількість
руху,
(кг*м)/с
Момент інерції –
І=∑m·R²,
кг∙m²
Момент сили
–
М(F)=F
.
S
, Н
.
м
Імпульс
момента сили
I=М(F)·t,
Н∙м∙с
Кінетичний
момент
(кг∙м²)/с
Робота
– А, Дж
Енергія
– Е, Дж
для поступального
руху:
E
k
= (m·v²)/2
для обертального
руху:
Е
k
оберт
=(Ι·ω²) /2
Потужність,
Вт
Економічність
(коефіцієнт
механічної
ефективності, %)
Енергетична
вартість
, Дж/м
Пульсова вартість,
1/м
Кінематика
, як відомо, характеризує рух тіла в просторі. Залежно
від зміни напрямку швидкостей і їх задавання, рухи ланок тіла людини
можуть бути:
1)
зворотно-обертальними;
2)
зворотно-поступальними;
3)
обертальними.
Будова сполучань окремих ланок скелету людини не дозволяє
виконувати ним рухи у суглобах за принципом «колеса», тобто робити
безмежні обертання навколо осі суглоба в один бік. Обмежувачі рухів
(кісткові утворення, м’які тканини суглобів і м’язів) дозволяють
виконувати рух у суглобах у межах не більше приблизно половини
кола, тому майже усі рухи мають зворотній характер.
Зворотньо-обертальні рухи нагадують рухи маятника (коливальні
рухи) навколо осі, яка розташована поперек або вздовж біокінема-
тичного ланцюга (наприклад, процес згинання-розгинання).
Спеціальне узгодження обертальних рухів у різних суглобах біо-
кінематичного ланцюга дозволяє кінцевим ланкам рухатися поступально
(кість боксера при обертальних рухах у плечовому і ліктьовому
суглобах; тулуб бігуна при відштовхування ногою тощо). Це є
звворотньо-поступальний рух.
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
166
Круговий (обертальний) рух є у шароподібних суглобах, коли
повздовжня вісь ланки описує кінцеву поверхню. Тільки він і може
виконуватися без обов’язкових зворотних рухів.
Динаміка
розглядає вплив взаємодії між тілами на їхній механічний
рух. На відміну від кінематичних характеристик динамічні не можна
оцінити за зовнішньою картиною. Тут завжди потрібна вимірювальна
апаратура. Ці характеристики вимірюють тому, що саме вони
допомагають розібратися зі складним механізмом формування рухів,
розкрити п р и ч и н и з м і н и р у х і в , м е х а н і з м р у х і в .
До динамічних характеристик відносяться:
1)
інерційні характеристики (особливості тіл, що безпосередньо
рухаються),
2)
силові характеристики (особливості взаємодії тіл).
І н е р ц і й н і х а р а к т е р и с т и к и
розкривають особливості
тіла людини при взаємодії з іншими тілами. Від інерційних
характеристик залежить збереження і зміна швидкості руху тіла.
Однією з основних інерційних характеристик є
інертність
тіла.
Усі фізичні тіла мають властивість інертності, яке проявляється в
збереженні руху, а також в особливостях зміни його під дією сил.
Поняття інертності розвивається у
І законі Ньютона:
будь-яке тіло
зберігає свій стан спокою або рівномірного і прямолінійного руху
доти, доки зовнішні прикладені сили не примусять його змінити цей
стан. Тобто, збереження швидкості у реальних умовах можливо лише
тоді, коли усі зовнішні сили, що прикладені до тіла, є взаємно
врівноваженими. В усіх інших випадках неврівноважені зовнішні сили
змінюють швидкість тіла відповідно до міри його інертності.
Мірою інертності
тіла при поступальному русі є маса. Чим
більшою є маса тіла, тим більш важко вивести його зі стану спокою
або змінити його рух. Вона вимірюється відношенням прикладеної
сили до викликаного нею прискорення:
a
F
m
;
[
m
] = кг (маса тіла, як
його інерційна характеристика, визначає залежність прискорення від
прикладеної сили, тобто маса – це коефіцієнт пропорційності між
силою і прискоренням).
Вимірювання маси тут засновано на
ІІ законі Ньютона:
зміна руху
пропорційна діючій ззовні силі і відбувається в тому напрямку, за яким
ця сила прикладена:
F
dt
mv
d
)
(
. Маса тіла характеризує, як прикладена
до тіла сила може змінити рух тіла. Одна й та сама сила викличе
більше прискорення у тіла з меншою масою, ніж у тіла з більшою
Основи біофізики і біомеханіки
167
масою. Маса (
m
) – це кількість речовини (у
кг
), яке містить тіло або
окрема його ланка. Масою визначають гравітаційні властивості тіла,
наприклад, вагу Р (у
Н
) тіла:
Р = m
.
g
, де
g
= 9,8
2
с
м
– прискорення
вільно падаючого тіла. Через це маса характеризує інертність тіла при
поступальному русі.
При обертанні інертність тіла залежить не лише від маси, але і від
того, як вона розподілена відносно осі обертання. Чим більшою є
відстань від ланки до осі обертання, тим більшою є внесок цієї ланки в
інертність тіла. Тому інерційною характеристикою руху людини є
момент інерції тіла
. Це головна інерційна характеристика рухів
людини. Момент інерції тіла дорівнює відношенню моменту сили,
відносно змінної осі, до викликаного ним кутового прискорення:
)
(
F
M
I
.
Момент інерції тіла відносно певної осі дорівнює сумі добутків
маси всіх його часток і квадратів радіусу інерції:
j
ін
j
R
m
I
2
, де
R
iн
–
радіус інерції: середня відстань від осі обертання до матеріальних
точок тіла.
Звідси видно, що момент інерції тіла є більшим, коли його частини
знаходяться на більшій відстані від осі обертання. В цьому випадку
той самий момент сили
M(F)
викличе менше кутове прискорення
ε
.
Інерційний опір швидко збільшується з віддаленням частин тіла від осі
обертання.
З останньої формули видно, що при обертальному русі інертність тіла
людини залежить не лише від маси, але й від положення. На
рис. 7.4.1.
зображено фігуристку, що виконує обертання. На
рис. 7.4.1
.
(А)
спортсменка обертається швидко і виконує близько 10 обертів в
секунду. У положенні, яке зображено на
рис. 7.4.1
.
(Б)
, обертання різко
уповільнюється і потім зупиняється. Це відбувається тому, що,
відводячи руки в боки, фігуристка робить своє тіло більш інертним:
хоч маса (
m
) залишається тією ж, збільшується радіус інерції (
R
i
) і,
відповідно, момент інерції.
Для аналізу рухів у якості характеристики розподілу маси у тілі
використовується характеристика, яка має назку
центру мас
– це
ділянка, де перетинаються лінії дії усіх сил, що приводять тіло у
поступальний рух і які не викликають обертання тіла. У полі гравітації
(коли діє сила ваги) центр мас співпадає з центром ваги.
Центр ваги
–
точка, до якої прикладено рівнодіючу силу ваги усіх частин тіла.
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
168
Розташування загального центру мас тіла визначається тим, де
знаходяться центри мас окремих ланок. Це залежить від пози, тобто
від того, як частини тіла розташовані у відношенні одна до одної у
просторі.
Рис. 7.4.1.
Затримання обертання при зміні пози:
А –
менша; Б – більша
величина радіусу інерції і моменту інерції, який є пропорційним
квадрату радіуса інерції (
I = m R
ін
)
Усі зазначені мас-інерційні характеристики (маса, радіус інерції,
момент інерції, координати центру мас) описують розподіл мас між
ланками тіла і всередині самих ланок. У цілому ці характеристики
мають назву
г е о м е т р і ї м а с
тіла людини.
Опорно-руховий апарат людини містить біля 70 ланок. Але такого
досконалого опису геометрії мас взагалі не потрібно. Для розв’язку
більшості практичних задач достатньо
15-ланкової моделі
тіла людини
(
рис. 7.4.2.
). У 15-ланковій моделі деякі ланки складаються з деяких
елементарних ланок. Тому такі збільшені ланки мають назву
сегментів
.
Наведені на рисунку значення є вірними для «середньої людини»,
вони отримані шляхом усереднення результатів дослідження багатьох
людей. Індивідуальні особливості людини, і в, першу чергу, маса і
довжина тіла, впливають на геометрію мас.