Biomekaniikka on luonnontieteiden ala, joka tutkii mekaniikan mallien ja menetelmien perusteella elävien kudosten, yksittäisten elinten tai organismin kokonaisuutena mekaanisia ominaisuuksia sekä niissä esiintyviä mekaanisia ilmiöitä.
Biomekaaninen tutkimus kattaa elävän aineen eri organisoitumistasoja: biologisia makromolekyylejä, soluja, kudoksia, elimiä, elinjärjestelmiä sekä kokonaisia organismeja ja niiden yhteisöjä.
Useimmiten tämän tieteen tutkimuskohteena on eläinten ja ihmisten liikkuminen sekä mekaaniset ilmiöt kudoksissa, elimissä ja järjestelmissä. Mekaanisella liikkeellä ymmärretään koko biosysteemin liike kokonaisuutena sekä järjestelmän yksittäisten osien liike suhteessa toisiinsa - järjestelmän muodonmuutos. Kaikki biosysteemien muodonmuutokset liittyvät biologisiin prosesseihin, joilla on ratkaiseva rooli eläinten ja ihmisten liikkeissä. Tämä on lihasten supistumista, jänteen, luun, nivelsiteiden, faskian muodonmuutoksia, liikettä nivelissä.
Erillinen biomekaniikan osa-alue on hengityslaitteen biomekaniikka, sen elastinen ja joustamaton vastus, kinematiikka (eli liikkeen geometrinen ominaisuus) ja hengitysliikkeiden dynamiikka sekä muut hengityselinten toiminnan näkökohdat laitteet kokonaisuutena ja sen osat (keuhkot, rintakehä); verenkierron biomekaniikka tutkii verisuonten ja sydämen elastisia ominaisuuksia, verisuonten hydraulista vastusta verenvirtaukselle, elastisten värähtelyjen leviämistä verisuonen seinämää pitkin, veren liikettä, sydämen työtä jne.
Ihmisen biomekaniikka on monimutkainen tiede. Se sisältää laajan valikoiman tietoa muista tieteistä, kuten mekaniikasta ja matematiikasta , toiminnallisesta anatomiasta ja fysiologiasta , ikään liittyvästä anatomiasta ja fysiologiasta , pedagogiikasta ja fyysisen kulttuurin teoriasta .
Ihmiskehon osien liikkeet ovat tilassa ja ajassa tapahtuvia liikkeitä, jotka suoritetaan useissa nivelissä samanaikaisesti ja peräkkäin. Liikkeet nivelissä ovat muodoltaan ja luonteeltaan hyvin erilaisia, ne riippuvat monien käytettyjen voimien vaikutuksesta. Kaikki liikkeet yhdistyvät luonnollisesti kokonaisiksi organisoiduiksi toimiksi, joita henkilö ohjaa lihasten avulla. Ihmisen liikkeiden monimutkaisuuden vuoksi biomekaniikka tutkii sekä niiden mekaanisia että biologisia puolia ja välttämättä läheisessä suhteessa.
Koska ihminen tekee aina mielekkäitä toimia, hän on kiinnostunut siitä, miten tavoite voidaan saavuttaa, kuinka hyvin ja helposti se toimii tietyissä olosuhteissa. Jotta liikkeen tulos olisi parempi ja se olisi helpompi saavuttaa, ihminen ottaa tietoisesti huomioon ja käyttää olosuhteita, joissa liike suoritetaan. Lisäksi hän oppii suorittamaan liikkeitä täydellisemmin. Ihmisen biomekaniikka ottaa nämä kyvyt huomioon, mikä eroaa merkittävästi eläinten biomekaniikasta.
Ihmisen biomekaniikka siis tutkii, millä tavalla ja mitkä edellytykset toimintojen suorittamiselle ovat parempia ja miten ne hallitaan. Liikkeiden tutkimisen yleistehtävä on arvioida voimien käytön tehokkuutta tavoitteen saavuttamiseksi. Kaikkien liikkeiden tutkimuksen tarkoituksena on viime kädessä auttaa sinua suorittamaan ne paremmin. Ennen kuin ryhdytään kehittämään parhaita toimintatapoja, on tarpeen arvioida olemassa olevia. Tästä seuraa biomekaniikan yleinen tehtävä, joka rajoittuu tutkittavan liikkeen suoritusmenetelmien tehokkuuden arvioimiseen. Biomekaniikka tutkii, kuinka tuloksena oleva liikkeen ja jännityksen mekaaninen energia voi saada toimivan sovelluksen. Työteho mitataan sillä, kuinka käytetty energia käytetään. Tätä varten määritä, mitkä voimat tekevät hyödyllistä työtä, mitä ne ovat alkuperän perusteella, milloin ja missä niitä käytetään. Sama on tiedettävä voimista, jotka tuottavat haitallista työtä, joka vähentää hyödyllisten voimien tehokkuutta. Tällaisen tutkimuksen avulla on mahdollista tehdä johtopäätöksiä toiminnan tehostamiseksi. Biomekaniikan yleistä ongelmaa ratkaistaessa syntyy lukuisia erityisongelmia, jotka eivät ainoastaan tarjoa suoraa tehokkuuden arviointia, vaan myös johtuvat yleisestä ongelmasta ja ovat sen alaisia.
Biomekaniikan menetelmä on liikkeiden systeemianalyysi ja systeemisynteesi, joka perustuu kvantitatiivisiin ominaisuuksiin, erityisesti liikkeiden kyberneettiseen mallinnukseen. Biomekaniikka kokeellisena, empiirisenä tieteenä perustuu liikkeiden kokeelliseen tutkimukseen. Instrumenttien avulla tallennetaan kvantitatiivisia ominaisuuksia, esimerkiksi nopeuden, kiihtyvyyden jne. liikeradat, jotka mahdollistavat liikkeiden erottamisen ja vertailun keskenään. Ominaisuudet huomioon ottaen he jakavat henkisesti liikkeiden järjestelmän sen komponentteihin - määrittävät sen koostumuksen. Tämä on järjestelmäanalyysin ydin.
Liikejärjestelmä kokonaisuutena ei ole vain sen osien summa. Järjestelmän osia yhdistävät lukuisat yhteydet, mikä antaa sille uusia ominaisuuksia, jotka eivät sisälly sen osiin (järjestelmän ominaisuudet). On välttämätöntä edustaa tätä liittoa, määrittää tapa, jolla järjestelmän osat ovat yhteydessä toisiinsa - sen rakenne. Tämä on järjestelmäsynteesin ydin. Systeemianalyysi ja järjestelmäsynteesi liittyvät erottamattomasti toisiinsa, ne täydentävät toisiaan systeemi-rakennetutkimuksessa.
Liikkeiden tutkimuksessa järjestelmäanalyysin ja synteesin kehitysprosessissa viime vuosina on kyberneettisen mallintamisen menetelmää käytetty yhä enemmän - ohjattujen liikkeiden (elektronisten, matemaattisten, fyysisten jne.) mallien rakentaminen ja mallien mallit. ihmiskehon.
Kliininen (lääketieteellinen) biomekaniikka on olennainen osa lääketieteitä: ortopediaa , traumatologiaa , proteesia , kuntoutusta ( fysioterapiaa ), pediatriaa , fysiologiaa ja monia muita. muut.
Kliininen biomekaniikka on tieteellinen suunta, jossa mekaniikan ja yleisen hallintateorian näkökulmasta, erikoistuneiden tutkimusmenetelmien avulla tutkitaan ihmisen motorista toimintaa normaaleissa ja patologisissa olosuhteissa [1] .
Pääosat:
Tutkitut ilmiöt:
Tärkeimmät tutkimusmenetelmät:
Itsenäisenä tieteellisenä tieteenalana fyysisten harjoitusten biomekaniikka rikastuttaa liikuntakasvatuksen teoriaa tutkimalla yhtä fyysisten harjoitusten puolta - tekniikkaa. Samaan aikaan fyysisten harjoitusten biomekaniikkaa hyödynnetään suoraan liikunnan harjoittamisessa. Akateemisena aineena biomekaniikka sisältää liikedoktriinin pääsäännöt, yleisen ja systematisoidun kokemuksen yleisten objektiivisten lakien tutkimisesta. Biomekaniikan tiedon kohde on ihmisen motoriset toiminnot toisiinsa liittyvien aktiivisten liikkeiden ja kehon asemien järjestelmänä. Urheilubiomekaniikan tehtävät ovat:
Fyysisten harjoitusten biomekaniikka on jaettu yleiseen, differentiaaliseen ja erityiseen.
Biomekaniikalla on erityinen asema liikuntakasvatuksen ja urheilun tieteiden joukossa. Se perustuu anatomiaan, fysiologiaan ja perustieteellisiin tieteenaloihin - fysiikka (mekaniikka), matematiikka, ohjausteoria. Biomekaniikan vuorovaikutus biokemian, psykologian ja estetiikan kanssa synnytti uusia tieteellisiä suuntauksia, jotka vasta syntyessään tuovat jo suuria käytännön hyötyjä. Niitä ovat "psykobiomekaniikka", biomekaniikan energiastaattiset ja esteettiset näkökohdat.
Olennainen osa biolääketieteen tiedettä Protetiikka
Urheilubiomekaniikka on biomekaniikan osa, joka tutkii urheilun motoristen toimien suoritustekniikkaa.
Olennainen osa ergonomiaa ( työterveys ).
Teoreettinen biomekaniikka on tiede, joka perustuu matemaattisen metodologian ja matemaattisten laitteiden soveltamiseen.
Tietokoneen biomekaniikkaYksi teoreettisen biomekaniikan osa-alueista on tietokonebiomekaniikka, tietokonemallinnus. Se kehittyy intensiivisesti ja täydentää teoreettista biomekaniikkaa uudella tiedolla.
Teatterina termin otti V. E. Meyerhold käyttöön ohjaus- ja opetustyöhönsä 1920-luvun alussa. viitata uuteen näyttelijäkoulutusjärjestelmään . "Biomekaniikka pyrkii kokeellisesti vahvistamaan näyttelijän liikkeen lakeja näyttämöllä ja laatimaan näyttelijäpelin harjoitusharjoituksia ihmisen käyttäytymisen normien pohjalta." (V. E. Meyerhold.) Teatterin biomekaniikka nojautui teoreettisessa osassaan toisaalta W. Jamesin psykologiseen käsitykseen (fyysisen reaktion ensisijaisuudesta emotionaaliseen reaktioon nähden), V. M. Bekhterevin refleksologiaan ja I. P. Pavlovan kokeet . Toisaalta biomekaniikka oli F. W. Taylorin seuraajien amerikkalaisen työorganisaatiokoulun ideoiden soveltamista näyttelemisen alalla (ns. "teatterin taylorisaatio"): , joka takaa liikkeiden tarkkuuden. jotka edistävät tehtävän nopeaa toteuttamista. (V. E. Meyerhold.) Meyerholdin biomekaniikka kietoutuu tiiviisti tieteelliseen biomekaniikkaan, jonka loi Central Institute of Laborissa A. K. Gastev [4] . Näyttelijän biomekaanisten harjoitusten kehittämisen käytännön osassa hyödynnettiin menneen teatterin kokemusta: commedia dell'arten lavatekniikkaa, E. Dusen, S. Bernardin, J. Grasson, F. Chaliapin, J. Coquelin jne. Biomekaaninen tekniikka vastusti muita näyttelemisen koulukuntia: "sisäinen" ja "kokemukset", jotka johtivat ulkoisesta liikkeestä sisäiseen. Meyerholdin mukaan näyttelijä-biomekanistilla täytyi olla luonnollinen kyky refleksiherkkyyteen ja fyysiseen hyvinvointiin (tarkka silmä, liikekoordinaatio, vakaus jne.). Meyerholdin luomilla biomekaanisilla koulutusetudeilla oli yleinen kaava: "kieltäytyminen" on liikettä, joka on tavoitteen vastainen; "pelilinkki" - tarkoitus, toteutus, reaktio. "Biomekaniikka on aivan ensimmäinen askel kohti ekspressiivistä liikettä" ( S. M. Eisenstein ) [5] .
Biomekaniikan historia liittyy erottamattomasti tekniikan, fysiikan, biologian ja lääketieteen historiaan sekä fyysisen kulttuurin ja urheilun historiaan. Monet näiden tieteiden saavutukset määrittelivät elävien olentojen liikkumista koskevan opin kehittämisen.
Nykyaikaista biomekaniikkaa ei voida kuvitella ilman Arkhimedesen , Galileon ja Newtonin löytämiä mekaniikan lakeja, ilman Pavlovin , Sechenovin , Anokhinin fysiologiaa ja ilman modernia tietokonetekniikkaa.
Biomekaniikka on yksi biologian vanhimmista aloista . Sen alkuperä olivat Aristoteleen , Galenuksen ja Leonardo da Vincin [6] teokset .
Luonnontieteellisessä teoksessaan "Eläinten liikkeen ja liikkeen osat" Aristoteles loi perustan sille, mitä myöhemmin, 2300 vuoden jälkeen, kutsuttiin biomekaniikan tieteeksi. Tieteellisissä tutkielmissaan hän kuvaa eläinmaailmaa sekä eläinten ja ihmisten liikkumismalleja hänelle ominaisella ajattelulla. Hän kirjoitti ruumiinosista, jotka ovat välttämättömiä avaruudessa liikkumiseen (liikkumiseen), vapaaehtoisista ja tahattomista liikkeistä, eläinten ja ihmisten liikkeiden motivaatiosta, ympäristön vastustuskyvystä, kävelyn ja juoksun syklisyydestä, elävien olentojen kyvystä saada itsensä liikkeelle...
Antiikin suurin lääketieteilijä ( Hippokrateen jälkeen ) oli Claudius Galen (131-201 jKr.). Muinaisten aikojen maailmankuvan mukaisesti Galen ymmärsi kehon eheyden. Hän kirjoitti:
"Osien kokonaisuudessa kaikki on keskenään sopusoinnussa ja... kaikki vaikuttaa niiden jokaisen toimintaan."
Hermojen tutkiminen antoi Galenille mahdollisuuden päätellä, että hermot on toiminnallisten ominaisuuksiensa mukaan jaettu kolmeen ryhmään: aistielimiin menevät hermot suorittavat havainnointitoimintoa, lihaksiin menevät liikettä ohjaavat ja ne, jotka menevät. elimille suojaavat niitä vaurioilta. Hänen pääteoksensa on Ihmiskehon osien nimittäminen. Galen osoitti kokeellisesti, että sisälihakset taivuttavat vuorotellen raajaa ja sitten ulkoiset lihakset pidentävät sitä. Kuvaamalla siis viidettä lihasta, joka on hänen mielestään suurin kaikista kehon lihaksista, joka lisää reiden ja koostuu suurista, keskikokoisista ja pienistä lihaksista, jotka on kiinnitetty reisiluun sisä- ja takaosaan ja laskeutuvat melkein polveen nivel, hän analysoi sen toimintaa, kirjoitti:
"Tämän lihaksen takasäikeet, jotka tulevat istuimesta, vahvistavat jalkaa rasittamalla niveltä. Yhtä voimakkaammin tämän toiminnan tuottaa häpyluusta tulevien kuitujen alaosa, johon lisätään pieni pyörivä liike sisäänpäin. Makaavien kuitujensa yläpuolella tuovat reiteen sisäänpäin samalla tavalla kuin ylimmät tuovat ja samalla hieman kohottavat reisiä.
[7] . Mekaniikan kehitykseen keskiajalla vaikuttivat merkittävästi Leonardo da Vincin (1452-1519) tutkimukset mekanismien teoriasta, kitkasta ja muista asioista. Tutkiessaan elinten toimintoja hän piti kehoa "luonnollisen mekaniikan" mallina. Ensimmäistä kertaa hän kuvaili useita luita ja hermoja, kiinnitti erityistä huomiota vertailevan anatomian ongelmiin yrittäen tuoda kokeellisen menetelmän biologiaan. Tämä suuri taiteilija , matemaatikko , mekaanikko ja insinööri ilmaisi ensimmäistä kertaa tärkeimmän idean tulevaisuuden biomekaniikasta:
"Mekaniikan tiede on niin jaloa ja hyödyllisempää kuin kaikki muut tieteet, koska kaikki elävät ruumiit, joilla on kyky liikkua, toimivat sen lakien mukaisesti."
Hänen menestymisensä suurena taiteilijana riippuu suurelta osin myös hänen maalaustensa biomekaanisesta suuntautumisesta - ne kuvaavat liiketekniikkaa yksityiskohtaisesti. Hänen havainnot, jotka ovat ilmeisiä nykyään, olivat vallankumouksellisia keskiajalla. Esimerkiksi,
"Lihakset alkavat ja päättyvät aina vierekkäisiin luihin, eivätkä ne koskaan ala ja pääty samaan luuhun, koska ne eivät voineet liikuttaa mitään, paitsi itseään"
[8] . Leonardo on tietysti toiminnallisen anatomian perustaja, olennainen osa biomekaniikkaa. Hän ei kuvaillut vain lihasten topografiaa, vaan myös kunkin lihaksen merkitystä kehon liikkeelle.
Biomekaniikan tieteen perustajana pidetään italialaista luonnontieteilijää Giovanni Borellia . Professori Messinan (1649) ja Pisan ( 1656 ) yliopistoissa. Fysiikan, tähtitieteen ja fysiologian parissa työskentelemisen lisäksi hän kehitti anatomian ja fysiologian kysymyksiä matematiikan ja mekaniikan näkökulmasta . Hän osoitti, että raajojen ja kehon osien liike ihmisillä ja eläimillä nostettaessa painoja, kävelyä, juoksua, uintia voidaan selittää mekaniikan periaatteilla, ensimmäistä kertaa tulkinnut sydämen liikkeen lihasten supistukseksi, tutkiessaan mekaniikkaa. rintakehän liikkeestä, vahvisti keuhkojen laajentumisen passiivisuuden.
Tieteen tunnetuin teos on "Eläinten liike" ("De Motu Animalium"). Hänen opetuksensa perustuu vankoihin biomekaanisiin periaatteisiin, työssään hän kuvasi lihasten supistumisen periaatteita ja esitteli ensimmäistä kertaa matemaattisia liikekaavioita. Hän on ensimmäinen, joka käyttää biomekaanista mallia selittämään liikettä biomekaanisessa järjestelmässä.
Uusi sysäys biomekaniikan kehitykseen liittyi ihmisen liikkeen kuvaamismenetelmän keksimiseen. Ranskalainen fysiologi , keksijä ja valokuvaaja. Etienne Marey ( 1830-1904 ) oli ensimmäinen, joka käytti filmivalokuvausta ihmisen liikkeiden tutkimiseen. Lisäksi hän sovelsi ensimmäistä kertaa menetelmää merkkiaineiden levittämiseksi ihmiskehoon - tulevan syklografian prototyyppiä. Tärkeä virstanpylväs biomekaniikan historiassa oli E. Muybridgen ( 1830-1904 ) (USA) suorittamat useiden kameroiden eri näkökulmista otetut valokuvasyklit . Valokuvasarja ("Galloping Horse", 1887) osoitti todellisten liikkeiden plastisuuden poikkeuksellisen kauneuden. Siitä lähtien filmivalokuvausta on käytetty liikkeiden analysointiin yhtenä biomekaniikan päämenetelmistä. Ihmisen liikkeen analyysin aloittivat Weberin veljekset (1836) Saksassa. Ensimmäisen kolmiulotteisen matemaattisen analyysin ihmisen kävelystä suorittivat Wilhelm Braun ja hänen oppilaansa Otto Fischer vuonna 1891. Kävelyanalyysin metodologia ei ole muuttunut tähän päivään mennessä. Lisäksi Brown ja Fisher tutkivat ensimmäisinä ihmiskehon massaa, tilavuutta ja massakeskiötä (suorittamalla tutkimuksia ruumiilla) ja saivat tietoja, joita on pitkään käytetty biomekaanisena standardina. He ehdottivat myös menetelmää kehon osien massan ja tilavuuden määrittämiseksi käyttämällä ruumiinosien upottamista veteen. Siten saatiin tietoa ikään liittyvistä muutoksista massakeskuksissa. Brownin ja Fisherin tutkimus merkitsi uuden aikakauden alkua biomekaniikassa - kävelyn biomekaniikassa , ja 1800-luvun jälkipuoliskolta alkanutta ajanjaksoa alettiin kutsua kävelyn vuosisadaksi .
Nykyaikaisen biomekaniikan teoreettisen perustan - opin ihmisten ja eläinten motorisesta toiminnasta - luojana voidaan perustellusti pitää Nikolai Aleksandrovich Bernshteinia ( 1896-1966 ) [9 ] .
Bernsteinin luoma teoria liikkeiden monitasoisesta ohjauksesta, mukaan lukien ihmisen liikkuminen, loi perustan uusien periaatteiden kehittämiselle organismin elintärkeän toiminnan ymmärtämiseksi. Bernstein keskittyi organismin toiminnan ongelmaan suhteessa ympäristöön ja yhdisti biomekaniikan ja neurofysiologian yhdeksi liikkeiden fysiologian tieteeksi [10] . N. A. Bernsteinin käsitys motorisesta tehtävästä ihmisen toiminnan henkisenä perustana avasi tien ihmisen motorisen toiminnan korkeampien tietoisuustasojen tutkimiselle. Motorisen tehtävän muodostumista, rakennetta ja ratkaisua koskevia kysymyksiä kehitettiin yksityiskohtaisesti. Näitä asioita alettiin pohtia tiiviissä yhteydessä toiminnan motorisen koostumuksen rakenteen kanssa liikejärjestelmänä [11] . Useat Bernsteinin teokset on omistettu lihasvoimien dynamiikan ja motoristen toimien hermotusrakenteen tutkimukselle. Hän esitteli perustavanlaatuisia parannuksia liikkeiden rekisteröinti- ja analysointitekniikkaan (kymocyclogram, syklometria). Jotkut Bernsteinin 1930-luvulla ilmaisemista ajatuksista ennakoivat kybernetiikan pääperiaatteita. Bernstein omistaa yhden ensimmäisistä selkeistä palautteen käsitteen muotoiluista fysiologiassa sekä ajatuksen tason liikkeiden järjestämisestä. Koska "heijastuskaaren" käsite ei riittänyt selittämään motorisia toimia, Bernstein otti käyttöön "heijastusrenkaan" käsitteen, joka perustuu koko organismin ja ympäristön välisen suhdejärjestelmän tulkintaan jatkuvana syklisenä prosessina.
Vuonna 1926 N. A. Bernstein julkaisi Central Institute of Laborin biomekaanisessa laboratoriossa tehdyn tutkimuksen perusteella teoksen General Biomechanics ensimmäisenä osana teosten Fundamentals of the Teaching of Human Movements. On tärkeää huomata, että vuonna 1946 julkaistussa oppikirjassa "Human Physiology" [12] (M. E. Marshakin toimituksella) N. A. Bernsteinin opetus liikkeiden koordinoinnista on jo täysin esitetty, jota ilman on mahdotonta kuvitella nykyaikaa. biomekaniikka [13] .
AS Vitenzon on viime vuosikymmeninä tehnyt ainutlaatuisia tutkimuksia normaalin kävelyn ja kävelyn biomekaniikasta ja neurofysiologiasta potilailla, joilla on erilaisia tuki- ja liikuntaelimistön ja hermoston sairauksia [14] . Näiden tutkimusten perusteella hän esitti käsitteen motoristen vikojen kompensoinnista ja lihastoiminnan säätelystä patologisen kävelyn aikana [15] .