что такое биомеханика тела человека
Биомеханика движений человека
Что такое биомеханика?
Название включает в себя греческие слова bios — жизнь и mexane — механизм, рычаг. В отличие от традиционной механики, в которой рассматривается движение и взаимодействие предметов, биомеханика это наука, которая изучает и анализирует многогранные и разносторонние движения живых существ. В фитнесе, да и во всех видах спорта, особенно подвижных, биомеханика рассматривается и используется, как базовая наука и имеет большое значение. Основу биомеханики составляют физиология, геометрия, математика, анатомия и физика в разделе механики. Не меньше биомеханика связана с психологией и биохимией. Все варианты взаимодействия прикладных наук полезны и приносят ощутимую пользу.
Биомеханическая мускульная работа
Работа любой мышцы человеческого опорно-двигательного аппарата основаны на умении и возможности мышцы сокращаться. В момент мышечного сокращения сама мышца укорачивается, а обе точки крепления к костям сближаются одна относительно другой. Подвижная точка Insertion начинает приближаться к начальной неподвижной точке крепления Origin, так осуществляется движение данной конечности.
Если применить это качество и свойство мышечной материи к области фитнеса, то открывается возможность выполнения определенной механической работы (подъем штанги, перемещение конечности с гантелей), прилагая разную степень мышечного усилия. Мышечная сила в данном случае будет определяться площадью сечения мышечных волокон, или говоря простым языком площадью разреза мышцы в поперечнике. Размер мышечного сокращения определен длиной мышечного волокна. Соединения костей и взаимодействие с мышечными группами устроено в форме механического рычага, позволяющего выполнять простейшую работу по поднятию и передвижению предметов.
Механика учит нас, что чем дальше от оси будет приложена сила, тем выше кпд, ибо благодаря большому плечу рычага, работу можно выполнить с меньшими усилиями. Так и в биомеханике — если мышца крепится дальше от опорной точки, тем более выгодно будет использована ее сила. П.Ф. Лесгафт в этом смысле квалифицировал мышцы на сильные, имеющие крепление дальше от опорной точки и быстрые или ловкие, имеющие точку крепления вблизи опоры.
Мышечное движение всегда производится в двух противоположных направлениях. По этой причине для выполнения двигательного процесса вокруг одной опорной точки необходимо наличие двух мышц на противоположных сторонах одна от другой. Направления движения в биомеханике тоже получили свои определения: сгибание и разгибание, приведение и отведение, горизонтальное приведение и горизонтальное отведение, ротация медиальная и ротация латеральная.
Мышца, которая вызывает момент движения при сокращении и принимает на себя основную нагрузку, называется агонистом — Prime mover. Каждое сокращение мышцы-агониста приводит к полному расслаблению противоположной ей мышцы-антагониста. Если мы выполняем сгибание в локте, агонистом будет являться сгибатель локтя — бицепс, а антагонистом в этот момент будет разгибатель локтя — трицепс. После окончания движения обе мышцы будут уравновешивать друг друга, находясь в немного растянутом состоянии. Это явление называется мышечным тонусом. Мышцы, помогающие выполнять движение мышце-агонисту и действующие в одном с ним направлении, но испытывающие меньшую нагрузку и меньшую степень сокращения называются синергистами. Мышцы, обеспечивающие устойчивость и равновесие определенному суставу при выполнении движения, называются фиксаторами. Помимо фиксаторов значительную роль в тренировочном процессе выполняют мышцы стабилизаторы, которые работают в качестве элементов равновесия тела при смещении центра тяжести и увеличении общей силовой нагрузки. Кроме того мышцы стабилизаторы участвуют в повседневной жизни человека в обеспечении равновесного расположения частей тела относительно друг друга вне силовой тренировки.
В любой момент движения, кости образуют механические рычаги, следуя за мышечными командами.
Биомеханика выделяет три вида биомеханических рычагов:
Рассмотрим виды рычагов более подробно:
Рычаг 1 рода
В биомеханике он называется «рычагом равновесия». Поскольку точка опоры расположена между двумя точками приложения силы, рычаг еще называют «двуплечим». Такой рычаг нам демонстрирует соединения позвоночника и черепной коробки. Если вращающий момент силы, действующей на затылочную часть черепа равен вращающему моменту силы тяжести, действующему на переднюю часть черепа, и они имеют одинаковое плечо рычага, достигается равновесие. Нам удобно, мы не замечаем разнонаправленного действия, и мышцы не напряжены.
Рычаг 2 рода
В биомеханике он подразделяется на два вида. Название и действие этого рычага зависят от места расположения приложения нагрузки, но у рычагов обоих видов точка приложения силы точка приложения сопротивления находятся по одну сторону от точки опоры, поэтому оба рычага являются «одноплечими». Рычаг силы образуется при условии, что длина плеча приложения силы мышц длиннее плеча приложения силы тяжести (сопротивления). В качестве наглядного примера можно продемонстрировать человеческую стопу. Осью вращения здесь являются головки плюсневых костей, пяточная кость служит точкой приложения силы, а тяжесть тела образует сопротивление в голеностопном суставе. Здесь имеет место выигрыш в силе, за счет боле длинного плеча приложения силы и проигрыш в скорости. Рычаг скорости имеет более короткое плечо приложения мышечной силы, чем плечо силы противодействия (силы тяжести). Примером может служить работа мышц сгибателей в локтевом суставе. Бицепс крепится вблизи точки вращения (локтевой сустав) и с таким коротким плечом необходима дополнительная сила мышце сгибателю. Здесь имеет место выигрыш в скорости и ходе движения, но проигрыш в силе. Можно заключить, что чем ближе от места опоры будет крепиться мышца, тем короче будет плечо рычага, и тем значительнее будет проигрыш в силе.
При соединении двух костных пар образуется биокинетическая пара, характер движения в которой определяется строением костного сочленения (сустава), работой мышц, сухожилий и связок. Подвижность в суставе может зависеть от многочисленных факторов: пола, возраста, генетического строения, состояния ЦНС.
Для того чтобы оптимально и правильно принять исходное положения для выполнения упражнений необходимо напрямую руководствоваться знанием законов рычагов первого и второго типов. Если мы изменим положение конечности или туловища, то в свою очередь определенным образом изменится длина плеча рычага конечности или туловища. В любом случае всегда исходное положение выбирается таким образом, чтобы начальный период тренировки сопровождался менее нагрузочными положениями конечностей и корпуса. В дальнейшем, в зависимости от состояния и формы тренирующегося, можно постепенно увеличивать длину плеча рычага, для усиления воздействия на определенную мышечную группу. Увеличение силы противодействия одновременно с удлинением плеча рычага в свою очередь еще больше акцентирует внимание на укрепление силы конкретной мышечной группы или одной мышцы.
Для осуществления технически грамотного движения в момент выполнения упражнения, необходимо и важно знать, в каком направлении работает сустав, соединяющий активную мышечную группу. Здесь нам необходимо опять обратиться к анатомическим плоскостям. Виды и описание осей и плоскостей даны в разделе кинезиологии. Виды и названия суставов вы можете найти в разделе анатомии. Опорно-двигательный аппарат человека представляет собой различные костные сочленения, соединенные друг с другом посредством суставов. Тело человека может свободно перемещаться в шести направлениях: вперед и назад, вправо и влево, вверх и вниз. Определенная классификация суставов позволяет движения в этих направлениях.
Суставы трехосные — это самые подвижные суставы, они свободно обеспечивают движение в трех направлениях. Примером служат: соединения черепа и позвоночника, межпозвонковых дисков, плечевые суставы, лучевой и тазобедренный. Подобные суставы имеют шарообразную форму. Движения в этих суставах происходят в сагиттальной, корональной и трансверсальной плоскостях. В этих суставах тренирующийся имеет возможность выполнять все виды движений: сгибание и разгибание, приведение и отведение, горизонтальное приведение и отведение, медиальную и латеральную ротацию.
Суставы двухосные — обеспечивают движение в двух направлениях, менее подвижны. Они имеют форму эллипса или седла. Движения в этих суставах происходят в сагиттальной и корональной плоскостях. Примером служат суставы пальцев рук, лучезапястный сустав. Здесь возможны сгибание и разгибание, приведение и отведение.
Суставы одноосные — обеспечивают однонаправленное движение. Они имеют форму цилиндров и блоков. Примером служат плече локтевой, лучевой, коленный, голеностопный суставы. Движения возможны в сагиттальной плоскости и это сгибания и разгибания. В лучевом суставе возможна ротация латеральная (супинация) и ротация медиальная (пронация).
Несмотря на то, что многие крупные мышцы рассматриваются в анатомии как единое целое, различные части и отделы больших мышц могут осуществлять неодинаковые движения. В сгибании плеча, например, принимает участие Deltoid Anterior, в отведении плеча Middle Deltoid, а в разгибании Deltoid Posterior. Данные знания являются основой для составления индивидуальной программы тренировок, которую инструктор или тренер готовит для тренирующегося. Это позволяет грамотно осуществить подбор необходимых упражнений для воздействия на конкретную мышцу или мышечную группу.
В зависимости от того, какое исходное положение принимает тренирующийся, выполнение определенного упражнения может усложняться или облегчаться. Поэтому общая эффективность тренировки также зависит от исходного положения в выполнении упражнения. В фитнесе мы применяем следующие исходные положения: положение лежа — самое простое и легкое, положение сидя — менее легкое и положение стоя — с малой площадью опоры и поэтому достаточно сложное для удержания равновесия.
Для сглаживания разбалансировки в положениях тела с неустойчивым равновесием используются упоры. Очень распространенным является упор лежа. Это закрытая кинематическая цепь, поскольку все части тела замкнуты. Устойчивость и равновесие имеют достаточно высокую степень, центр тяжести расположен низко, площадь опоры большая.
Для примера верхней опоры могут послужить висы. Висы тоже считаются достаточно устойчивыми. Тело человека испытывает силу растяжения под тяжестью собственного веса. Руки прямые и соприкасаются с опорой в фиксировано положении. Вис является силовым упражнением уже сам по себе. Подтягивания на перекладине являются сложным силовым упражнением, которое может выполнить только подготовленный спортсмен с сильно развитыми мышцами верхнего пояса и верхних конечностей. В таком положении любая двигательная активность является сложно выполнимой, поэтому можно использовать опору для ног.
Ходьба — повседневная двигательная активность человека. Это попеременное движение ног. Одна нога служит опорой в тот момент, когда другая находится в воздухе и движется вперед. Ноги поочередно сменяют друг друга, меняя последовательно опорную фазу на двигательную.
Бег — быстрые циклические шаги, требующие от опорно-двигательного аппарата достаточно больших энергозатрат, напряжения центральной нервной системы, хорошей физической формы. Измеряется длиной шага, скоростью бега и длительностью временного промежутка.
Приседания — выполняются мышцами нижних конечностей. Площадь опоры достаточно мала, равновесие не обладает достаточной устойчивостью. При опоре руками выполнение приседаний значительно облегчается. Чем приседания глубже, тем они тяжелее. Усложнение упражнений осуществляется за счет темпа и числа приседаний, возможно дополнительное отягощение на плечи.
Прыжки — это поочередные отталкивания тела от площади опоры. Главную работу выполняют мышцы нижних конечностей, мышцы туловища и рук участвуют в движении, обеспечивая вспомогательную функцию.
Биомеханика тела: что должен знать фитнес-тренер
Начинать фитнес-тренировки важно с опытным тренером, который имеет хорошую теоретическую подготовку по основам биомеханики. Он объяснит, как именно нужно двигаться, чтобы «выжать» максимум пользы из упражнения, сможет эффективно оценить движение и внесет необходимые коррективы для обеспечения максимального прогресса.
Почему же без тренера никак? Дело в том, что обычные движения человека являются эволюционными. Мы не задумываемся, как ходим, поднимаем руки и наклоняемся. Наш организм использует для этого силу тех мышц, что сильнее, и не задействуют те, что не нужны ему для выполнения этого движения. Никто ведь специально не напрягает пресс, чтобы поднять тяжелую вещь? Задача же фитнеса — сделать тело крепким и здоровым, обучить безопасному распределению нагрузки на мышцы.
Движение созданных человеком машин осуществляется благодаря всевозможным рычагам внутри конструкции. Так же и с нашим телом: внутри у него сотни различных рычагов, представленные костями разной формы, размера и плотности. Их изучал еще Леонардо да Винчи, представляя человеческое тело сложным механизмом.
Чтобы привести рычаг в действие, нужно воздействие двух сил:
Рычаг первого рода представлен рычагом равновесия. В нем есть точка опоры, а по разные стороны от нее прилагаются силы, которые могут уравновешивать друг друга. Самый наглядный пример рычага первого рода — позвоночный столб.
Спереди от него — грудная клетка, брюшная полость и органы, которые под действием силы тяжести стремятся вниз. Чтобы их поддерживать, по другую сторону позвоночника есть мышцы, которые сокращаются и создают противодействие. Благодаря их работе человек не падает вперед.
Рычаг второго рода, в свою очередь, делится на два вида: рычаг скорости и рычаг силы.
В рычаге скорости есть точка опоры. Движущая сила воздействует рядом с этой точкой опоры, а сила тяжести — дальше от нее, что позволяет значительно ускорить движение этого рычага. Эволюция большую часть человеческих рычагов реализовала именно с таким механизмом, чтобы сделать нас быстрыми и ловкими, способными убегать, нападать и защищаться. Но где есть плюс, есть и минус — чтобы задействовать рычаг скорости, нужно потратить много энергии.
В рычаге силы и сила воздействия, и сила тяжести тоже располагаются по одну сторону от точки опоры. Однако движущая сила воздействует дальше от точки опоры, а силы тяжести — ближе. На движение такого рычага нужно меньше энергии, но и скорость будет ниже.
«Что нам дают знания о принципах работы рычагов внутри человеческого тела?
Понимая особенности рычагов, вы сможете принять оптимальное исходное положение, точно выбрать вес отягощения, темп выполнения упражнения и получить максимальный эффект от тренировочного воздействия»
Упражнение: Многосуставное.
Суставы: Тазобедренный, коленный, голеностопный.
Воздействие: Ягодичные мышцы, мышцы задней, внутренней, передней поверхностей бедра, мышцы голени.
Упражнение: Односуставное.
Суставы: Коленный.
Воздействие: Четырехглавая мышца бедра.
Упражнение: Многосуставное
Суставы: Суставы ключицы, плечевой, локтевой
Воздействие: Трапециевидная, ромбовидные мышцы, широчайшая мышца спины, дельтовидная, трехглавая и двуглавая мышцы плеча.
Научная электронная библиотека
Фирилёва Ж. Е., Загрядская О. В.,
8.2.1. Биомеханика ходьбы
Ходьба по ровной поверхности требует относительно малой работы всех групп мышц у здорового человека и происходит практически автоматически, без особого участия сознания. Группы мышц, выполняющие основную работу, включают:
1) подошвенные сгибатели стопы в момент отталкивания,
2) сгибатели бедра в момент отрыва от поверхности,
3) разгибатели бедра в ранней фазе опоры, когда бедро разгибается, чтобы переместить массу тела над опорной стопой, функционируя по принципу маятника (Olney, 2005).
К биомеханическим критериям ходьбы можно отнести:
– поддержание вертикального положения и равновесия в момент перемещения тела вперёд над ступнями;
– контроль за постановкой стоп с пятки;
– отработка ритма движений во взаимосвязи всех звеньев тела;
– координационная взаимосвязь звеньев тела при передвижении;
– гибкость формирования двигательного навыка ходьбы при применении в различных условиях и соответствие поставленным задачам (условия местности, характер грунта, препятствия и др.).
Анализ шагательных движений характеризуется попеременной активностью ног, чередованием отталкивания и переноса каждой ноги. Эти движения отличаются строгой слаженностью и соответствием строению тела. Как указывает Д.Д. Донской (1975), в шагательных движениях каждая нога поочерёдно бывает опорной и переносной. В опорном периоде имеются фазы амортизации и отталкивания, в переносной – период подъёма и торможения ноги.
Основа шагательных движений – фаза отталкивания – неразрывно связана с подготовкой к ней – с фазой амортизации. Вместе они составляют период опоры, когда нога имеет контакт с опорой и находится под действием веса и силы инерции тела (рис. 11).
Рис. 11. Биомеханика ходьбы
Фаза амортизации начинается с постановки ноги с пятки на опору. Амортизация заключается в торможении движения тела по направлению к опоре. Происходит уступающее движение, мышцы растягиваются, совершая отрицательную работу и уменьшая скорость движения тела. К концу амортизации вертикальная составляющая скорости тела падает до нуля, опускание вниз прекращается. Горизонтальная же составляющая скорости за это время уменьшается, но не до нуля, тело не останавливается, а продолжает движение вперёд. Фаза амортизации заканчивается в момент прекращения движения тела вниз.
Окончанием фазы амортизации условно считают наибольшее сгибание опорной ноги в коленном суставе. Амортизация выполняется не только движением в коленном суставе, но и имеет место растягивание мышц в голеностопном суставе (перекат с пятки на носок), оно заканчивается несколько позже амортизации в коленном суставе.
Фаза отталкивания начинается с разгибания опорной ноги в коленном суставе. К этому движению отталкивания несколько позже присоединяется подошвенное сгибание стопы в голеностопном суставе. Условность начала фазы отталкивания определяется движением разгибания бедра опорной ноги в тазобедренном суставе, которое может начинаться в момент опоры. Окончанием фазы отталкивания считают момент отрыва стопы от опоры.
После опорного периода ноги наступает период её переноса. Фаза подъёма ноги начинается с момента отрыва от опоры и заканчивается началом её движения вперёд (относительно таза). В это время происходит опора тела только на одной опорной ноге и длится она до опускания ноги на опору.
Фаза опускания ноги на опору начинается с момента крайнего положения бедра вперёд и кверху и заканчивается в момент постановки стопы на опору. В циклических перемещениях движениям ног соответствуют маховые движения рук, согласованные перекрёстной координацией движений всех четырёх конечностей. Так, соответственно выносу левой ноги вперёд определяется движение правой руки вперёд-книзу. Руки двигаются свободно и ритмично, создавая определённое балансирование и хорошие условия для сердечно-сосудистой и дыхательной систем.
В зависимости от способа шагательного перемещения и темпа шагов, осуществляются движения туловища и таза относительно всех трёх осей: наклоны вперёд и назад, в боковых направлениях, поворот вокруг вертикальной оси. Всё это происходит в большей или меньшей степени, в связи с движениями туловища и таза, которые динамически связаны с движением ног и рук.
Для увеличения скорости шагательных движений нужно увеличить их длину и частоту. Изменяя величину и длительность усилий, перестраивают ритм шагательных движений: изменяется длина, частота шагов и скорость передвижения. Изменение двигательной задачи и условий её выполнения требует качественной перестройки всей системы движений (Д.Д. Донской, 1975).
Указанные особенности биодинамической структуры движений необходимо учитывать в методике обучения шаговым движениям лиц, перенёсших инсульт и имеющих отклонения в опорно-двигательном аппарате и осваивающих ходьбу.
Что такое биомеханика
Наверняка вы могли видеть в описаниях различных спортивных тренажеров характеристику «правильная биомеханика». Но что это значит? Расскажем все самое важное о биомеханике простым языком.
Понятие биомеханики
Биомеханика — это наука, изучающая движения живых существ. Происхождение этого понятия исходит из Греции: bios (жизнь) и mexane (механизм). В спорте и фитнесе, где движения человеческого тела имеют огромное влияние, биомеханика фигурирует постоянно.
Зачем разбираться в биомеханике
Зачем нужно знать, что такое биомеханика и как она работает? Осознание, каким образом двигается наше тело и какой диапазон движений у суставов, костей и связок, помогает нам заниматься спортом эффективно и безопасно.
Также понимание биомеханики помогает легче ориентироваться в спортивных тренажерах и инвентаре. Многие производители добавляют в инструкции к своему спортивному оборудованию биохимические термины. Без их понимания может пострадать техника упражнения и увеличиться риск травм.
Как происходит биомеханика
Каждое наше движение начинается с анатомической позиции: вертикальное положение тела, взгляд вперед, руки вдоль тела, пятки немного расставлены, а пальцы ног обращены вперед.
Переход от анатомической позиции к движению конечностей происходит через сокращения мышц. Когда мы хотим выполнить движение, мышца становится короче, а две точки ее крепления к кости приближаются друг к другу. Такая система напоминает работу механического рычага по поднятию / передвижению.
Движение мышц осуществляется в двух противоположных направлениях. Для перемещения конечности вокруг опорной точки необходимо две мышцы, противоположные друг к другу. Поэтому названия биомеханических направлений всегда парные: сгибание / разгибание, инверсия / эверсия, пронация / супинация и так далее.
Главные элементы биомеханики
Во время движения наше тело одновременно задействует несколько важных элементов биомеханики. Их всего пять: перемещение, сила, импульс, рычаг и равновесие.
Перемещением называют движение тела в пространстве посредством скорости и ускорения. Под силой подразумевается толчковое или тяговое усилие, контролирующее перемещение. Импульс — это произведение масса тела на его скорость во время изменения расположения тела.
Наши конечности являются рычагами, которые имеют плечо рычага, точку опоры и ось вращения. Равновесие отвечает за устойчивость тела с помощью размещения его центра тяжести над основной поддерживающей конструкцией.
Плоскости и оси в биомеханике
Все пять важных компонентов действуют в диапазоне осей и плоскостей тела. Под осью понимаются прямые линии, проходящие сквозь тело перпендикулярно друг другу. Эти линии — основные зоны вращательных / поворотных телодвижений.
Всего существует три оси нашего тела: поперечная, продольная и медиальная. Поперечная ось — горизонтальная линия в области талии. Продольная ось является вертикальной линией, проходящей от центра головы до стоп. Медиальная ось проходит по диагонали от бедер до плеч.
Плоскостей тела также три: сагиттальная, фронтальная и поперечная. Сагиттальная делит тело на правую и левую сторону. В такой плоскости происходят такие движения, как сгибание и разгибание.
Фронтальная плоскость выделяет в теле заднюю и переднюю часть. В данной плоскости происходят движения, как отведение / приведение. Поперечная плоскость делит тело на верхнюю и нижнюю часть, в которых происходят вращательные движения.
Комбинирование плоскостей одновременно создает диагональное движение.
Названия телодвижений в биомеханике
Основные движения, которые мы выполняем во время тренировок со спортивными тренажерами и инвентарем происходят в рамках вышеперечисленных осей и плоскостей.
Зачастую названия этих телодвижений добавляют в описания оборудования. Чтобы отлично ориентироваться в терминах, расшифруем самые распространенные:
Знание биомеханики позволит вам не только повысить осознанность о вашем теле, но и грамотно выбирать спортивные тренажеры и инвентарь. Оборудование, произведенное с упором на правильную биомеханику, делает движения спортсмена безопасными и эффективными во время тренировки. Изучайте свое тело и повышайте качество упражнений!