ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 18.12.2021
Просмотров: 706
Скачиваний: 3
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
184
більше сили (через збільшення радіусу обертання весла). Саме тому
довшим веслом важче гребти, ніж більш коротким (хоча пройдений
шлях буде довшим), кинути важкий предмет на довшу дистанцію важче,
ніж на близьку. Про це знав Архімед, який керував обороною Сіракуз
від римлян і який вигадав важільні пристрої для метання каміння.
Рис. 7.9.1.
При однаковому куті переміщення (
φ
) і кутовій
швидкості
ω ═ Δφ ⁄Δt
траєкторія (вказана пунктиром) є тим довшою, а
прикладена до весла сила (вказана стрілками) є тим більшою і лінійна
швидкість
V = ωr
є тим вищою, чим більшим є радіус обертання (
r
)
Звідси випливає «
з о л о т е п р а в и л о
»
м е х а н і к и
в рухах
людини:
виграш у силі дає програш у шляху та швидкості
(і навпаки).
Розглянемо це при роботі м’язів.
Через те, що м’язи, в більшості випадків, прикріплюються недалеко
від суглобу, то плече сили тяги м’язу є коротким. У зв’язку з цим
м’язи,
які діють на кісткові важелі, майже завжди дають виграш у швидкості,
програючи у силі
(«
з о л о т е п р а в и л о » б і о м е х а н і к и
).
Виділяють дві причини програшу в силі:
прикріплення м’язу поблизу суглобу (невелике плече сили);
тяга м’язу вздовж кістки під дуже гострим (або тупим) кутом
(це також зумовлює невелике плече сили).
Можна вказати і на третю причину втрат у силі м’язів: при великих
навантаженнях навантажуються усі м’язи, які оточують суглоб (через
ланковий механізм).
Крім того, є м’язи-антагоністи, які створюють моменти сил, котрі
спрямовані протилежно, через що ці м’язи корисної роботи не
виконують, а енергію витрачають. Але все одно в цьому є і позитивний
зміст: хоча і виникають втрати енергії, суглоб під час великих навантажень
отримує підкріплення напругою м’язів, які його оточують. Таким
Основи біофізики і біомеханіки
185
чином, у зв’язку з особливостями прикладення м’язових тяг до кісткових
важелів, виникають значні напруження м’язів при швидкісних і
силових рухах. Виграш у силі і підкріплення суглобів потребують
значного розвитку сили м’язів.
§ 7.10. МАЯТНИКОВИЙ ПРИНЦИП РУХІВ ОКРЕМИХ ЛАНОК
Верхні і нижні кінцівки людини можуть робити коливальні рухи.
Це робить наші кінцівки схожими на маятники. Найменші втрати
енергії при переміщенні кінцівок мають місце, коли частота рухів на
20-30 % є більшою за частоту власних коливань руки чи ноги:
l
g
2
1
,
де
g
= 9,8 м/с
2
,
l
– довжина маятнику (що дорівнює відстані від точки
підвішання до центру мас руки або ноги). Ці 20-30 % пояснюються
тим, що нога не є одноланковим циліндром, а складається з трьох
сегментів (стегна, голені і ступні).
Роблячи частоту кроків або гребків при ходьбі, бігу, плаванні тощо,
резонансною (тобто близькою до власної частоти коливань руки або
ноги), вдається мінімізувати витрати енергії.
Помічено, що при найбільш економічному поєднанні частоти і
довжини кроків або гребків людина демонструє досить високу фізичну
працездатність. Це корисно використовувати не тільки при тренуванні
спортсменів, але і при проведенні фізкультурних занять у школі, при
фізичній реабілітації людей, при реабілітації рухів людини після травм.
Чим же пояснюється висока економічність рухів, які виконуються з
резонансною частотою? Це відбувається тому, що коливальні рухи
верхніх і нижніх кінцівок супроводжуються
рекуперацією механічної
енергії
(від лат. recuperatio – отримання знов або повторне використання).
Найпростіша форма рекуперації – перехід потенційної енергії у кінетичну,
потім знов – у потенційну (
рис. 7.10.1
). При резонансній частоті рухів
такі перебудови здійснюються з мінімальними втратами енергії.
Це означає, що метаболічна енергія, яка була створена у м’язових
клітинах і яка перейшла у форму механічної енергії, використовується
багаторазово: і в цьому циклі рухів, і в наступних. А якщо так, то
потреба у притоці метаболічної енергії зменшується.
Завдяки рекуперації енергії, виконання циклічних рухів з циклом,
який є близьким до резонансної частоти коливань кінцівок є
ефективним способом збереження і накопичення енергії. Резонансні
коливання сприяють концентрації енергії, і у світі неживої природи
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
186
вони іноді небезпечні. Наприклад, відомі випадки руйнування мосту
через річку, коли по ньому йшов військовий підрозділ, чітко
відбиваючи кожен крок, тому через міст необхідно йти не в ногу.
Рис. 7.10.1
Один із варіантів рекуперації енергії при циклічних рухах:
потенційна енергія (суцільна лінія) переходить у кінетичну (пунктир),
яка знову перетворюється у потенційну і сприяє переходу тіла гімнаста
у верхнє положення; цифри на графіку відповідають пронумерованим
позам спортсмена
КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ
1.
У чому полягають основні особливості опорно-рухового апарату
людини та його відмінності від звичайних механізмів? Відповідь
обґрунтуйте.
2.
Охарактеризуйте механічні властивості кісткової тканини. З
властивостями якого матеріалу вони схожі?
3.
Вміст якої речовини в кістковій тканині визначає її
деформацію, а вміст якої – її повзучість при дії навантаження?
4.
Наведіть механічну модель (Кельвіна-Фойхта) деформації
кісткової тканини при навантаженні на неї. У чому полягає різниця
між нею та поведінкою кості при напрузі?
Основи біофізики і біомеханіки
187
5.
Як Ви можете охарактеризувати анатомо-топографічні фактори,
які визначають поведінку кості при деформації? Як веде себе кісткова
тканина при дії навантаження?
6.
Охарактеризуйте механічні властивості суглобів.
7.
Яке максимально припустиме навантаження на суглоби?
8.
Чому при плануванні оздоровчо-тренувальних занять з
людьми середнього і похилого віку потрібно враховувати силу тиску
на суглоби?
9.
Охарактеризуйте механічні властивості шкіри.
10.
Що таке акустична анізотропія шкіри?
11.
Які особливості шкіри потрібно враховувати при проведенні
медично-реабілітаційних заходів?
12.
Охарактеризуйте основні принципи моделювання тіла людини
як біомеханічної системи. Поясніть, чому м’язову систему вважають
системою двигунів, що перемагають зайві ступені вільності рухів?
13.
Якими показниками характеризується геометрія мас тіла?
14.
Що таке інерційні характеристики рухової діяльності людини?
15.
Що таке біомеханічна ланка, біокінематична пара?
16.
Що таке центр тяжіння ланки? Як його знайти?
17.
Що таке загальний центр тяжіння тіла (ЗЦТ) людини? Пояснити,
як визначити положення ЗЦТ людини за методом відносних мас?
18.
Пояснити, як знайти положення ЗЦТ людини за методом
Селуянова?
19.
Пояснити, як знайти положення ЗЦТ тіла людини за допомогою
теореми Вариньона?
20.
Від чого залежить розташування ЗЦТ при здійсненні людиною
різних рухів? Для чого оцінюють ЗЦТ при тренуванні спортсменів, при
фізичній реабілітації людини після травм опорно-рухового апарату?
21.
Що таке біокінематичний ланцюг, біокінематична пара?
22.
Що таке момент сили тяжіння ланки, декількох ланок тіла
людини? Чому він дорівнює?
23.
Якщо відношення сил ваги двох ланок однієї біокінематичної
пари дорівнює 5:12, то де буде розташований загальний ЦТ обох ланок?
24.
Що таке та як знайти момент інерції ланки та усього тіла? Які
фактори впливають на його величину?
25.
Як впливає величина радіусу інерції (моменту інерції) на
якість руху людини (наприклад, при бігу)?
26.
Для чого оцінюють момент інерції тіла людини при аналізі
діяльності її опорно-рухового апарату?
27.
Навести приклади ланок тіла людини, як важелів I, II, III роду.
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
188
28.
Навести умову рівноваги ланок тіла як важелів.
29.
За якої умови важіль, який зображено на рис. 3.8.1, А, буде
знаходитися в рівновазі (поясніть і запишіть формулу)?
30.
Обґрунтувати, як можна полегшити роботу м’язів при однаковій
її силі тяги?
31.
Пояснити, в чому полягають анатомічні особливості прикріплення
м’язів до суглобів і обґрунтувати необхідність розвитку сили м’язів
задля підвищення їх сили тяги?
32.
Пояснити, від чого залежить рухомість тієї чи іншої ланки тіла
людини. Скільки ступенів вільності має: плечовий суглоб, колінний
суглоб, ліктьовий суглоб, зап’ястно-п’ясний суглоб?
33.
Пояснити, в чому полягає різниця, з точки зору важільного
устрою руки, між положеннями руки людини при підйомі вантажу та
при утриманні вантажу над головою.
34.
Пояснити, як визначити силу тяги двоголового м’язу передпліччя
при виконанні ним роботи з утримання вантажу?
35.
Поясніть, чому м’язовий двигун характеризують як двигун
хемодинамічний? Чому роботу, яку виконує певний сегмент біокіне-
матичного ланцюга із здійснення ним руху, розглядають як міру
переносу енергії від одного сегмента до іншого?
36.
Чому дорівнює повна енергія рухомого тіла за теоремою
Кеніга? Якими показниками описується економічність (корисність
руху) рухового апарату людини?
37.
Пояснити, що таке кінематична та динамічна схеми опорно-
рухового апарату людини та обґрунтувати необхідність їх побудови
при протезуванні?
38.
Поясніть, у чому суть «золотого правила» біомеханіки. Які
причини програшу в силі м’язів людини і які біомеханічні основи
необхідності розвитку сили м’язів?
39.
Поясніть, у чому полягає маятниковий принцип рухів окремих
ланок тіла людини. Чим пояснити високу економічність рухів, які
виконуються з резонансною частотою?
40.
Побудуйте кінематичну схему біокінематичного ланцюга
«кисть-передпліччя-плече».
41.
Наведіть умову 1) утримання кистю будь-якого тіла; 2) підйому
кистю будь-якого тіла; 3) опускання кистю будь-якого тіла.
42.
У якого з двох бігунів (
рис. 7.9.2.
) ліва нога має менший радіус
інерції і менший момент інерції відносно тазобедреного суглобу? Як
це потрібно враховувати при технічній підготовці бігунів?