История биомеханики Составитель: канд. пед. наук, доцент Лимаренко О. В.
Истоки История биомеханики неразрывно связана с историей техники, физики, биологии и медицины, а также с историей физической культуры и спорта. Многие достижения этих наук определяли развитие учения о движении живых существ. Современную биомеханику нельзя представить без законов механики, открытых Архимедом, Галилеем, Ньютоном, без физиологии Павлова, Сеченова, Анохина, так как и без современных компьютерных технологий.
Биомеханика — одна из самых старых ветвей биологии. Её истоками были работы Аристотеля, Галена, Леонардо да Винчи. В своих естественнонаучных трудах «Части движения и перемещение животных» , Аристотель заложил основу того, что в дальнейшем, спустя 2300 лет назовут наукой биомеханикой. В своих научных трактатах он свойственной ему мышлением описывает животный мир и закономерности движения животных и человека. Он писал о частях тела, необходимых для перемещения в пространстве (локомоции), о произвольных и непроизвольных движениях, о мотивации движений животных и человека, о сопротивлении окружающей среды, о цикличности ходьбы и бега, о способности живых существ приводить себя в движение…
Величайшим ученым медиком античного времени (после Гиппократа) был Клавдий Гален (131— 201 гг. н. э. ). В соответствии с мировоззрением античного времени, Гален понимал целостность организма. Он писал: «В общей совокупности частей, все находится во взаимном согласии и … все содействует деятельности каждой из них» .
Изучение нервов позволило Галену сделать вывод о том, что нервы по своей функциональной особенности делятся на три группы: те, что идут к органам чувств, выполняют функцию восприятия, идущие к мышцам ведают движением, а идущие к органам охраняют их от повреждения. Основной его труд — О назначении частей человеческого тела. Гален экспериментально показал, что конечность попеременно то сгибается внутренними, то разгибается наружными мышцами. Так, описывая пятую мышцу, самую большую, по его мнению, из всех мышц тела, приводящую бедро и состоящую из большой, средней и малой мышц, прикрепляющихся к внутренним и задним частям бедренной кости и нисходящей вниз почти до коленного сочленения, он, анализируя её функцию, писал: «Задние волокна этой мышцы, идущие от седалищной кости, укрепляют ногу, напрягая сустав. Не менее сильно это действие производится нижней порцией волокон, идущих от лобковой кости, к чему присоединяется еще легкое вращательное движение внутрь. Выше их лежащие волокна приводят бедро внутрь точно так же, как самые верхние приводят и в то же время несколько поднимают бедро»
На развитие механики в средние века оказали существенное влияние исследования Леонардо да Винчи (1452— 1519 г. ) по теории механизмов, трению и другим вопросам. Изучая функции органов, он рассматривал организм как образец «природной механики» . Впервые описал ряд костей и нервов, особое внимание уделял проблемам сравнительной анатомии, стремясь ввести экспериментальный метод и в биологию. Этот великий художник, математик, механик и инженер впервые высказал важнейшую для будущей биомеханики мысль: «Наука механика потому столь благородна и полезна более всех прочих наук, что все живые тела, имеющие способность к движению, действуют по ее законам» .
Его успех как великого художника также немало зависит от биомеханической направленности его картин, — в них детально прорисована техника движения. Его наблюдения, очевидные в наши дни, в средние века были революционными. Например, «Мускулы начинаются и оканчиваются всегда в соприкасающихся костях, и никогда они не начинаются и не оканчиваются на одной и той же кости, так как они ничего не могли бы двигать, разве только самих себя» Леонардо, безусловно, является основоположником функциональной анатомии, составной части биомеханики. Он не только описал топографию мышц, но и значение каждой мышцы для движения тела.
Возникновение биомеханики как науки Основателем науки биомеханики по праву считается Джованни Борелли, итальянский натуралист. Профессор университетов в Мессине (1649) и Пизе (1656). Помимо работ в области физики, астрономии и физиологии, он разрабатывал вопросы анатомии и физиологии с позиций математики и механики. Он показал, что движение конечностей и частей тела у человека и животных при поднятии тяжестей, ходьбе, беге, плавании можно объяснить принципами механики, впервые истолковал движение сердца как мышечное сокращение, изучая механику движения грудной клетки, установил пассивность расширения лёгких.
Рисунок из книги Дж. Борелли De motu animalium Система рычагов, схема прикрепления мышц при сгибании в суставе и при разгибании. Скелетно-мышечная схема двух человек, поразному удерживающих различный груз.
Наиболее известный труд ученого «Движение животных» ( «Dе Motu Animalium» ). Его учение основано на твердых биомеханических принципах, в своей работе он описал принципы мускульного сокращения и впервые представил математические схемы движения. Он впервые использует биомеханическую модель для объяснения движения в биомеханической системе.
При изучении строения и формы тела, а также их развития, естественно, возникали вопросы об отправлении, функции органов и тканей. По мере углубления анатомических знаний все более развивался функциональный подход к изучению морфологии человека. Он проявился особенно отчетливо в разработке функциональной анатомии органов движения, оказавшей большое влияние на становление биомеханики. Расцвет физиологии и медицины в XIX в. был тесно связан с развитием идеи нервизма направления научной мысли, признающего ведущую роль нервной системы в управлении жизнедеятельностью высших организмов. Принцип нервизма был одним из главных, когда закладывались основы теории биомеханики.
Новым толчком развития биомеханики был связан с изобретение метода кинофотосъемки движения человека. Французский физиолог, изобретатель и фотограф Этьенн Марей(1830— 1904) впервые применил кинофотосъемку для изучения движений человека. Так же впервые им был применен метод нанесения маркеров на тело человека — протопип будущей циклографии. Важной вехой в истории биомеханики явились исполненные Э. Майбриджем (1830— 1904)(США) циклы фотографий, снятых несколькими камерами с разных точек зрения. Серия фотографий ( «Галопирующая лошадь» , 1887), показала необычайную красоту пластики реальных движений. С тех пор кинофотосъемка применяется для анализа движений как один из основных методов биомеханики. Начало анализа движения человека было положено братьями Вебер (1836) в Германии.
Первый трехмерный математический анализ человеческой походки проведен Вильгельмом Брауном и его студентом Отто Фишером в 1891 году. Методология анализа ходьбы не изменилась по сегодняшний день. Браун и Фишер впервые изучили массу, объём и центр масс человеческого тела, (проведя исследования на трупах), и получили данные, которые длительно использовали как биомеханический стандарт. Ими был также предложен метод определения массы сегментов тела и его объёма, используя погружение частей тела в воду. Так были получены данные возрастных изменений центров масс. Исследования Брауна и Фишера положили начало новой эпохи биомеханики — биомеханики ходьбы, а период со второй половины XIX столетия стали называть столетием ходьбы.
Начало развитию биомеханики физических упражнений положил П. Ф. Лесгафт, разрабатывавший курс теории теле сных движений. Он начал читать его в 1877 г. на курсах по физическому воспитанию. Этот курс продолжали читать и совершенствовать его ученики. В институте физического образования им. П. Ф. Лесгафта, созданном после Октябрьской революции, этот курс входил в предмет "Физическое образование", а в 1927 г. был выделен в самостоятельный под названием "Теория движений", в 1931 г. переименован в курс "Биомеханика физических упражнений".
Современный этап развития биомеханики С 30 х г. в институтах физической культуры в Москве (Н. А. Бернштейн), Ленинграде (Е. А. Котикова, Ё. Г. Котельникова), Тбилиси (Л. В. Чхаидзе), Харькове (Д. Д. Донской) и др. развернулась научная и учебная работа по биомеханике спорта.
Создателем теоретической основы современной биомеханики — учения о двигательной деятельности человека и животных можно по праву считать Николая Александровича Бернштейна (1896— 1966)
Пройдет не так много лет после его смерти, и склонные к скепсису англичане провозгласят развитие теории движений эпохой Николо Бернштейна В. Л. Найдин ("Наука и жизнь" № 6, 1976 г. ). В 1996 году в мире отмечали 100 летие со дня рождения Н. А. Бернштейна, создателя современной биомеханики - учения о двигательной деятельности человека и животных. К этой дате были приурочены научные конференции в США и Германии. Профессор Н. А. Бернштейн (1896 -1966) - основоположник современной биомеханики.
Н. А. Бернштейн во время эксперимента в своей лаборатории.
При съемке циклограммы на различных частях тела спортсмена укрепляют электрические лампочки. По светящимся точкам, представляющим отдельные фазы, строят непрерывную траекторию, на которой лучше видны погрешности движения спортсмена.
Одна из последних фотографий Н. А. Бернштейна
Созданная Бернштейном теория многоуровневого управления движениями, в том числе локомоциями человека, положила начало развитию новых принципов понимания жизнедеятельности организма. Поставив в центр внимания проблему активности организма по отношению к среде, Бернштейн объединил биомеханику и нейрофизиологию в единую науку физиологию движений. Понятие Н. А. Бернштейна о двигательной задаче как психической основе действий человека открыло пути изучения высших уровней сознания в двигательной деятельности человека. Подверглись подробной разработке вопросы формирования, строения и решения двигательной задачи. Эти вопросы стали рассматриваться в тесной связи со строением двигательного состава действия как системы движений. Ряд работ Бернштейна посвящён изучению динамики мышечных сил и иннервационной структуры двигательных актов. Он внёс коренные усовершенствования в технику регистрации и анализа движений (кимоциклограмма, циклограмметрия). Некоторые идеи, высказанные Бернштейном в 30 х гг. , предвосхитили основные положения кибернетики. Бернштейну принадлежит одна из первых чётких формулировок понятия обратной связи в физиологии, а также идея по уровневой организации движений. В связи с недостаточностью понятия «рефлекторной дуги» для объяснения двигательных актов Бернштейн ввёл понятие «рефлекторного кольца» , основанное на трактовке всей системы отношений организма со средой как непрерывного циклического процесса.
В 1926 г. Н. А. Бернштейном на основе исследований в биомеханической лаборатории Центрального института труда было издано «Общая биомеханика» как первая часть «Основ учения о движениях человека» . Важно отметить, что в учебнике «Физиология человека» , изданном в 1946 г. (под ред. М. Е. Маршака), уже полностью представлено учение Н. А. Бернштейна о координации движений, без которого невозможно и представить современную биомеханику
С 1958 г. биомеханика включена в учебный план всех институтов физической культуры, после чего начали создаваться кафедры биомеханики. На кафедрах спортивных дисциплин институтов физической культуры широко ведутся биомеханические исследования спортивной техники. Биомеханические методы успешно применяются научными работниками, тренерами для исследования качества техники и контроля над ее совершенствованием.
В ряде зарубежных стран преподавание этой учебной дисциплины для специалистов физического воспитания ведется под названием "Кинезиология", "Анализ движений" и др. В составе научного комитета по физическому воспитанию и спорту при ЮНЕСКО создана рабочая группа по биомеханике. Проводятся международные совещания и симпозиумы по биомеханике. Биомеханика физических упражнений способствует теоретическому обоснованию ряда вопросов физического воспитания. Биомеханика спорта составляет одну из основ теории спортивной техники. Она помогает обоснованию наиболее рациональной техники, путей овладения ею и технического совершенствования спортсменов.
С применением каждой новой методики, с накоплением фактических данных, с развитием смежных областей знания (механики, анатомии, физиологии, кибернетики) менялись критерии оценки получаемых результатов, появлялись умозаключения, выводы, постепенно складывающиеся в новое понимание явлений и процессов. Теория биомеханики как обобщение экспериментальных данных в свете определенных идей развивалась по нескольким направлениям.
Механическое направление Механический подход к изучению движений человека позволяет определить количественную меру двигательных процессов, объяснить физическую сущность механических явлений, раскрывает огромную сложность строения тела человека и его движений с точки зрения физики.
Функциональноанатомическое направление Функци онально анатомический подход характеризуется преимущественно описательным анализом движений в суставах, оп ределением участия мышц при сохранении положений тела и в его движениях.
Физиологическое направление в биомеханике утвердило представление о рефлекторной природе движений, кольцевом характере управления движениями и об обусловленной этим чрезвычайной сложности движений человека.
Системно-структурный подход Системно структурный подход в биомеханике характеризуется изучением состава и структуры систем как в двигательном аппарате, так и в его функциях. Этот подход в известной мере объединяет механическое, функционально анатомическое и физиологическое направления в развитии теории биомеханики.
Термин биомеханика составлен из двух греческих слов: bios – жизнь и mechanike – наука о машинах. Эта наука характеризуется применением основных принципов механики, т. е. науки о механических движениях материальных тел и взаимодействиях, происходящих при этом между ними, к живым организмам. Область исследований, связанная с приложением механических и биомеханических закономерностей применительно к спорту, стала называться спортивная биомеханика в отличие от других разделов биомеханики, которые имеют скорее медицинское применение.
В нескольких странах созданы научные институты биомеханики. Выпускается журнал “Biomechanics”, в котором публикуются последние исследования по этой науке.
Скачать презентацию История биомеханики Составитель канд пед наук доцент Лимаренко
История биомеханики.ppt