ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 7

Введение 11

Глава 1. История развития биомеханики 13

Глава 2. Топография тела человека.

Общие данные о теле человека 20

Глава 3. Кинематика 59

1. Механическое движение. Система отсчета. Материальная точка. Траектория. Путь и перемещение. Вестибулярный аппарат как инерциальная система ориентации 59

2. Скорость. Средняя мгновенная скорость.

Временные характеристики движения 64

3.3. Равномерное прямолинейное движение

и его графическое представление 71

4. Ускорение. Равноускоренное прямолинейное движение, графики 72

5. Свободное падение и его ускорение 75

6. Движение по окружности, центростремительное

и тангенциальное ускорения. Угловое ускорение 79

7. Связь вращательного движения с колебательным 82

8. Элементы описания движения человека 86

Глава 4. Динамика движения материальной точки 89

1. Первый закон Ньютона. Инерциальная система отсчета 89

2. Масса. Сила. Второй закон Ньютона. Сложение сил 90

3. Третий закон Ньютона 93

4. Кинетическая энергия материальной точки

и механическая работа 94

4.5. Динамика движения материальной точки по окружности. Центростремительная и тангенциальная силы. Плечо и момент силы. Момент инерции. Уравнения вращательного движения точки 97

Глава 5. Динамика поступательного движения тела 100

1. Центр масс тела. Масса тела 100

2. Распределение массы в теле человека 102

3. Законы Ньютона для произвольного тела. Поступательное движение 106

4. Принцип относительности Галилея 107

5. Работа сил, действующих на тело,

и его кинетическая энергия 108

6. Мощность ПО

7. Работа и мощность человека. Эргометрия , 111

8. Импульс тела. Импульс системы тел 116

Глава 6. Виды сил в природе 118

1. Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения 118

2. Силы упругости. Закон Гука 119

3. Силы трения покоя и скольжения.

Коэффициент трения скольжения 121

4. Сила трения качения 124

5. Сила сопротивления при движении в жидкости или газе ... 125

Глава 7. Динамика вращательного движения твердого тела 127

7.1. Плечо силы. Момент силы. Момент инерции тела. Кинетическая энергия вращающегося тела. Основное уравнение динамики вращательного

движения 127

2. Момент импульса тела. Изменение момента импульса 129

3. Моменты инерции некоторых тел 130

4. Свободные оси 134

5. Статика. Центр тяжести. Рычаги и блоки 136

Глава 8. Неинерциальные системы отсчета 150

1. Сила инерции. Принцип д'Аламбера 150

2. Сила тяжести. Вес тела 151

3. Перегрузки и невесомость. Движение

в безопорном пространстве. Искусственное тяготение 156

4. Медицинские аспекты 162

5. Применение законов динамики для анализа

движений спортсменов 164

Глава 9. Законы сохранения 168

9.1. Консервативные силы, потенциальная энергия.

Закон сохранения энергии в механике 168

2. Энергетика прыжков 175

3. Закон сохранения импульса. Реактивное движение 181

4. Применение закона сохранения импульса к ударам 185

5. Соударение предмета с движущимся массивным препятствием „ 190

6. Закон сохранения момента импульса 191

Глава 10. Механические колебания 193

10.1. Свободные колебания: гармонические

и затухающие колебания 193

2. Вынужденные колебания. Резонанс 199

3. Сложение гармонических колебаний, направленных

по одной прямой 201

10.4. Сложное колебание. Разложение сложного колебания

на простые составляющие. Гармонический спектр 201

Глава 11. Механические свойства 204

1. Деформация. Способы деформирования 204

2. Виды деформации 210

3. Прочность 210

4. Твердость 212

5. Разрушение 213

6. Механические свойства биологических тканей 217

Глава 12. Воздействие физических факторов на человека 233

1. Механические воздействия 233

2. Электромагнитное воздействие 239

3. Тепловые воздействия 247

4. Радиационные воздействия 260

5. Акустические воздействия 271

Глава 13. Биомеханика двигательного аппарата человека 281

Глава 14. Биодинамика (биомеханика) двигательных качеств 336

Глава 15. Биомеханика локомоций (движений) человека.

Виды локомоций. Возрастная биомеханика 363

Глава 16. Биомеханический контроль. Клинический анализ движений (локомоций). Тесты в биомеханике. Методы обследования 444

ПРЕДИСЛОВИЕ

Глава 17. Медицинская биомеханика 484

1. Биомеханика сердца и сосудов 484

2. Биомеханика дыхания 512

3. Биомеханика пищеварительной системы 546

4. Биомеханика опорно-двигательного аппарата 551

5. Биомеханика глаза 579

6. Биомеханика органов слуха и равновесия (преддверноулитковый орган) 586

Глава 18. Патологическая биомеханика 591

1. Биомеханика травм и заболеваний ОДА 591

2. Биомеханика инвалидов-спортсменов 628

Приложение № 1. Словарь терминов 645

Приложение № 2 653

Список литературы ...' 667

Любая отрасль человеческих знаний, в том числе такая дисци­плина как биомеханика, оперирует некоторым набором исходных определений, понятий и гипотез. С одной стороны, используются фундаментальные определения из математики, физики, общей ме­ханики. С другой — биомеханика базируется на данных экспери­ментальных исследований, важнейшими из которых являются оценка различных видов двигательной деятельности человека, управления ими; определение свойств биомеханических систем при различных способах деформирования; результаты, получен­ные при решении медико-биологических задач.

Биомеханика находится на стыке разных наук: медицины, фи­зики, математики, физиологии, биофизики, вовлекая в свою сферу различных специалистов, таких как инженеры, конструкторы, тех­нологи, программисты и др.

Биомеханика спорта как учебная дисциплина изучает как движе­ния человека в процессе выполнения физических упражнений, во вре­мя соревнований, так и движения отдельных спортивных снарядов.

Существенное значение в современном спорте и физической культуре придается механической прочности, устойчивости тканей опорно-двигательного аппарата, органов, тканей к многократным физическим нагрузкам, особенно при тренировках в экстремаль­ных условиях (среднегорье, высокая влажность, низкая и высокая температура, гипотермия, изменение биоритмов) с учетом тело­сложения, возраста, пола, функционального состояния человека. Все эти данные могут быть использованы в совершенствовании методики и техники выполнения тех или иных упражнений и тре­нировочных систем, а также в совершенствовании инвентаря, экипировки и других факторов.

Физическая культура и спорт в нашей стране в последнее деся­тилетие утратили свое влияние. Это никак не способствует укреп­лению здоровья человека. Это также сказывается в виде снижения способности противостоять негативным факторам окружающей среды.

Значение спорта во все времена было существенным в преду­преждении преждевременного старения, в восстановлении функ­циональных возможностей организма после болезней и травм.

С развитием науки медицина активно внедряет ее достижения, разрабатывая новые методы лечения, оценки их эффективности, новые методики диагностики. Это, в свою очередь, обогащает спор­тивную медицину и физическую культуру. В данном учебнике пред­ложены знания физических основ многих вопросов спортивной медицины, которые необходимы преподавателю физкультуры, тре­неру, спортивному врачу, массажисту. Эти знания не менее важ­ны, чем знания основ тренировочного процесса. В зависимости от того, как понимается физическая сущность того или иного направ­ления спортивной медицины, в совокупности с медицинскими ас­пектами можно прогнозировать, дозировать оздоровительный (лечебный) эффект, а также уровень спортивных достижений.

В лечебной физической культуре применяются различные физические упражнения, реализуемые в том или ином виде спорта.

В данном учебнике, по сравнению с ранее вышедшими, впер­вые для биомеханики спорта изложен материал, показывающий применение законов фундаментальной физики ко многим конкрет­ным направлениям этой дисциплины. Рассмотрены вопросы: кине­матика, динамика материальной точки, динамика поступательного движения, виды сил в природе, динамика вращательного движения, неинерциальные системы отсчета, законы сохранения, механиче­ские колебания, механические свойства. Представлен большой раз­дел, показывающий физические основы воздействия различных факторов (механических, звуковых, электромагнитных, радиацион­ных, тепловых), понимание физической сущности которых совер­шенно необходимо для рационального решения многих задач спор­тивной медицины.

Профессор В.И. Дубровский и профессор В.Н. Федорова помимо биомеханических методов контроля лиц, занимающихся физкуль­турой и спортом, представили биомеханические показатели в нор­ме и при патологии (травмы и заболевания опорно-двигательного

аппарата, при утомлении и др.), а также при тренировке в экстре­мальных условиях, у инвалидов-спортсменов и др.

Многие вопросы освещены авторами с учетом развития спорта высших достижений, инвалидного спорта, биомеханики спортив­ной травмы, различных возрастных периодов развития, с учетом телосложения и техники выполнения тех или иных упражнений в различных видах спорта.

В книге показаны основные направления в развитии биомеха­ники с использованием современных методов контроля: стацио­нарный и дистанционный контроль за локомоциями; разработка современных технологий инвентаря, экипировки; техники выпол­нения физических упражнений в различных видах спорта; контроль за выполнением упражнений инвалидами-спортсменами; биомеха­нический контроль при травмах и заболеваниях опорно-двигатель­ного аппарата и др.

По существу, в каждой главе учебника авторы подчеркивают, что, чтобы успешно выступать на соревнованиях, спортсмен дол­жен владеть рациональной техникой выполнения упражнения, по­нимая его медико-физическую сущность, должен быть оснащен современной экипировкой, спортинвентарем, должен быть хоро­шо подготовлен функционально и здоров.

Особое место в учебнике отведено влиянию интенсивных фи­зических нагрузок на структурные (морфологические) изменения в тканях опорно-двигательного аппарата, особенно если несовер­шенна техника выполнения физических упражнений и методы ее коррекции. Отмечено, что реакция тканей ОДА на физические нагрузки во многом зависит от техники выполнения упражнений, телосложения, возраста, функционального состояния, климато-географических факторов и т. п.

Авторы большое внимание уделяют возможностям использо­вания математических и физических моделей как для различных упражнений, так и для отдельных участков и систем организма человека, в частности, спортсмена, а также тела в целом, для про­гнозирования реакций организма на физические нагрузки и раз­личные неблагоприятные факторы воздействия внешней среды. Телосложение, возраст важны для расчетной и модельной оценки пределов переносимости этих воздействий с учетом разнообраз­ных дополнительных факторов.

У нас в стране и за рубежом до сих пор нет учебника, где были бы систематизированы материалы как по теоретическим физико-

-| О Предисловие

ВВЕДЕНИЕ

математическим основам биомеханики спорта, так и по биомехани­ке в норме и при патологии, с учетом возраста, пола, телосложения и функционального состояния лиц, занимающихся физкультурой и спортом. Особенно это важно при занятии спортом высших дос­тижений, где требования к технике выполнения упражнений ис­ключительные, и малейшие отклонения ведут к травматизму, ино­гда к инвалидности, снижению спортивных результатов.

Авторы показали, что при современном развитии спорта, осо­бенно спорта высших достижений, биомеханика играет огромную роль для повышения спортивных результатов.

Учебник «Биомеханика» отвечает современным требованиям, предъявляемым к учебникам по медико-биологическим дисципли­нам, единым для педагогических, медицинских вузов и институтов физической культуры.

Большое количество информационных таблиц, рисунков, схем, однотипное и четкое разделение материала по структуре в каждой главе, выделенные лаконичные определения делают излагаемый материал очень наглядным, интересным, легко воспринимаемым и запоминаемым.

Этот учебник позволит студентам, тренерам, врачам, методи­стам ЛФК, преподавателям физкультуры лучше познать основы спортивной биомеханики, спортивной медицины, лечебной физ­культуры, а следовательно, успешно и активно использовать их в своей работе. Этот учебник может быть рекомендован знатокам прикладной механики, специализирующимся по биомеханике.

Заведующий кафедрой теоретической механики Пермского государственного технического университета,

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации

Ю.И. Няшин

Биомеханика движений человека представляет собой одну из час­тей более общей дисциплины, кратко называемой «биомеханика».

Биомеханика — это раздел биофизики, в котором изучаются ме­ханические свойства тканей, органов и систем живого организма и механические явления, сопровождающие процессы жизнедея­тельности. Пользуясь методами теоретической и прикладной меха­ники, эта наука исследует деформацию структурных элементов тела, течение жидкостей и газов в живом организме, движение в про­странстве частей тела, устойчивость и управляемость движений и другие вопросы, доступные указанным методам. На основе этих исследований могут быть составлены биомеханические характеристи­ки органов и систем организма, знание которых является важнейшей предпосылкой для изучения процессов регуляции. Учет биомеха­нических характеристик дает возможность строить предположения о структуре систем, управляющих физиологическими функциями. До последнего времени основные исследования в области биомеханики были связаны с изучением движений человека и животных. Однако сфера приложения этой науки прогрессивно расширяется; сейчас она включает в себя также изучение дыхательной системы, системы кро­вообращения, специализированных рецепторов и т. д. Интересные данные получены при изучении эластичного и неэластичного сопро­тивления грудной клетки, движений газов через дыхательные пути. Предпринимаются попытки обобщенного подхода к анализу движе­ния крови с позиций механики сплошных сред, в частности, изучаются упругие колебания сосудистой стенки. Доказано также, что с точки зрения механики структура сосудистой системы оптимальна для вы­полнения своих транспортных функций. Реологические исследова­ния в биомеханике обнаружили специфические деформационные

Введение