1. Моя освіта – реферати, конспекти, доповіді
  2. Біологія
  3. Біомеханічні характеристики тіла людини

Біомеханічні характеристики тіла людини

Кінематичні характеристики

Системи відліку відстаней і часу: початок, напрямок і одиниці відліку. Тіла відліку інерціальні інеінерційні.

Просторові характеристики: положення – координати точки, тіла і системи тіл (лінійні і кутові) і руху – траєкторія точки (шлях, переміщення, кривизна і орієнтація траєкторії, положення: початкове, проміжне і кінцеве). Поступальний і обертальний рух тіла. Траєкторії прямолінійні і криволінійні (постійного і змінного радіуса кривизни). Тимчасові характеристики: момент часу, тривалість руху тіла і його частин, темп і ритм рухів.

Просторові характеристики: швидкості і прискорення точок і ланок тіла людини. використання характеристик при біомеханічному обґрунтуванні спортивної техніки. Швидкості: середня, миттєва (лінійні і кутові) прискорення: позитивне і негативне (лінійні і кутові), нормальні.

Динамічні характеристики. Інерційні характеристики тіла людини: маса, центр мас, момент інерції тіла, радіус інерції. Силові характеристики: сила і момент сили, імпульс сили і момент сили, кількість руху і кінетичний момент. Енергетичні характеристики: робота сили, кінетична і потенційна енергія, енергія пружної деформації, потужність, коефіцієнт корисної дії.

Дослідження рухів людини є процесом реєстрації біомеханічних характеристик тіла (розміри, пропорції, розподіл мас, рухливість в суглобах та ін.), рухів всього тіла і його частин. Біомеханічні характеристики – це заходи механічного стану біомеханічної системи і його зміни (поведінки системи).

При виконанні системного аналізу рухів (встановленні складу системи рухів) характеристики дозволяють розрізняти різні рухи. При здійсненні системного синтезу (визначенні структури системи рухів) біомеханічні характеристики дають можливість встановити міру впливу одних рухів на інші.

Кількісні характеристики вимірюються прямо (реєструються), або побічно (розраховуються). Якісні характеристики описуються словесно, без вказівки кількісної міри (наприклад, вільно, широко, повільно, плавно, стрімко і т.п.).

Кінематичні характеристики – це заходи положення і рухи людини в просторі і в часі: просторові, часові та просторово-часові. Кінематичні характеристики дають можливість порівнювати розміри тіла і його ланок, а також кінематичні особливості рухів у різних людей (спортсменів). Кінематика рухів тіла людини визначає геометрію (просторову форму) рухів і їх зміни в часі (характер) без урахування мас і діючих сил.

Системи відліку відстаней і часу

Система відліку відстаней – умовно вбранне тверде тіло, по відношенню до якого визначають положення інших тіл в різні моменти часу, а також напрямок відліку, одиниці відліку, пункт (лінія) відліку. Абсолютно нерухомих тіл не існує, всі матеріальні об’єкти рухаються. Але одні з них рухаються так, що зміни їх швидкості (прискорення) несуттєві і ними можна знехтувати – це інерціальні тіла або інерціальні системи відліку. Такими тілами є Земля і всі об’єкти, пов’язані з нею нерухомо. Інші тіла – неінерційні – рухаються з прискореннями, які суттєво впливають на рішення біомеханічного завдання.
З тілом відліку пов’язують початок і напрямок вимірювання відстані і встановлюють одиниці відліку. Система відліку відстаней включає в себе також пункт відліку (точка на досліджуваному тілі), або лінію відліку (при обертальному русі). У деяких випадках рухоме тіло розглядають як матеріальну точку.
Для опису (завдання) руху застосовуються природний, векторний, координатний способи.

При природному способі положення точки відраховують від початку відліку, обраного на заздалегідь відомій траєкторії (траса, доріжка).

При векторному способі положення точки визначають радіус-вектором, проведеному з центру «0» системи координат до точки, що рухається.

При координатному способі переміщення точки описується (задається) зміною чисельних значень її координат (чисельних значень проекції точки на координатній осі).
Розрізняють лінійні і кутові одиниці вимірювання відстані. Основна лінійна одиниця 1 метр, кутова – радіан (кут між двома радіусами кола, вирізаючі на окружності дугу, рівну радіусу), 1 радіан дорівнює 180о / p, приблизно 57о.

У системі відліку часу входять початок і одиниці відліку. У біомеханиці за початок відліку приймається момент початку руху або його частини, або момент початку спостереження за рухом. Протягом одного спостереження користуються тільки однією системою відліку часу. Одиниця відліку часу – 1 секунда. Час рухається від минулого до майбутнього. Але в біомеханічних дослідженнях можна відраховувати час у зворотному напрямку (наприклад, за 0,5 с до постановки стопи на опору).

Просторові характеристики дозволяють визначати положення (за координатами) і руху (по траєкторіях).

Залежно від завдань дослідження тіло людини розглядають як матеріальну точку (переміщення значно більше розмірів тіла); тверде тіло (можна знехтувати деформацією і не враховувати переміщення ланок); систему тіл (важливі особливості рухів ланок).
Координати точки, тіла, системи тіл. Координати точки – просторова міра розташування точки відносно системи відліку. Положення твердого тіла в просторі можна визначити по положенню (координатам) трьох його точок, не лежачих на одній прямій. Використовують також координати загального центру ваги тіла (ОЦТ) і кутові координати щодо вихідного положення (нерухомої системи відліку) – т.зв. Ейлерові кути. Положення системи тіл, яка може змінювати свою конфігурацію, визначають по положенню кожної ланки в просторі. У цьому випадку зручно використовувати кутові координати, наприклад, суглобові кути або кути повороту ланок, і по них встановлювати позу тіла як взаємне розташування ланок. При вивченні руху визначають вихідне положення, з якого рух починається, кінцеве положення, в якому рух закінчується, миттєві (проміжні) становища. Виділяють також початкове положення – положення в момент початку даного вимірювання.
Траєкторія точки – це геометричне місце положення рухомої точки в даній системі відліку.

На траєкторії виділяють її довжину, кривизну і орієнтацію в просторі. Таким чином, траєкторія дає просторовий малюнок руху точки. Відстань по траєкторії рівна шляху точки. Кривизна траєкторії показує яка форма руху точки в просторі. Кривизна траєкторії – величина зворотна радіусу кривизни. Орієнтація траєкторії в просторі при одній і тій же її формі може бути різною. Орієнтацію прямолінійної траєкторії визначають за координатами точок вихідного (початкового) і кінцевого положень; орієнтацію криволінійної траєкторії – за координатами цих двох і третьої точки, що не лежить з ними на одній прямій. Переміщення точки показує в якому напрямку і на яку відстань змістилася точка, тобто переміщення визначає розмах і напрямок руху. Лінійне переміщення тіла можна визначити за лінійним переміщенням будь-якої його точки, так як при цьому всі точки тіла рухаються однаково – по подібним траєкторіям, з однаковими швидкостями і прискореннями. Кутове переміщення тіла визначають по куту повороту радіуса повороту. Відтак будь-яке переміщення тіла в просторі можна представити як геометричну суму його поступального і обертального рухів.

Переміщення системи тіл (біомеханічної системи), що змінює свою конфігурацію, визначити вельми складно. Тому його іноді розглядають як рух ОЦТ, або зводять кілька ланок в одну. В даний час неможливо отримати повну картину переміщень всіх основних елементів тіла, включаючи внутрішні органи і рідкі тканини. У будь-якому науковому дослідженні вдаються до більш-менш значного спрощення. Д.Д. Донський (1979) вказує, що на відміну від машин, що характеризуються визначеністю руху (є можливість визначити положення будь-якої точки системи в будь-який момент часу), в біомеханічних системах, що характеризуються невизначеністю рухів в зчленуваннях, ймовірність знайти закон руху всіх ланок тіла в цілому дуже невелика. Ця ймовірність дещо більше в тих вправах, де технічна майстерність проявляється в точному відтворенні заздалегідь визначених деталізованих рухів.

Тимчасові характеристики розкривають рух у часі. До них відносяться. Момент часу – коли почався і коли закінчився рух. Тривалість руху – як довго воно тривало. Темп (частота) – як часто повторювався рух. Ритм – як співвідносилися частини руху по тривалості. Визначаючи положення точки в просторі, необхідно визначати і те, коли вона там була.

  • Момент часу – тимчасовий захід положення точки, тіла, системи тіл. Момент часу визначають проміжком часу до нього від початку відліку. Виділяють не тільки момент початку і закінчення руху, а й моменти істотно зміни руху – моменти зміни фаз;
  • Тривалість руху – це його тимчасова міра, яка вимірюється різницею моментів часу закінчення і початку руху: Δt = tк – tн. Самі моменти, як кордону між двома суміжними проміжками часу тривалості не мають. Величина зворотна тривалості руху називається темп або частота рухів. Вона вимірюється кількістю рухів, повторюваних в одиницю часу: f = 1/Δt. Таким чином, частота рухів – тимчасовий захід їх повторності. Частота рухів може служити показником підготовленості в циклічних видах спорту;
  • Ритм рухів (тимчасовий) – це тимчасова міра співвідношення частин (фаз) руху. Він визначається по співвідношенню тривалості частин руху: Δt12 / Δt23 / Δt34… Ритм величина безрозмірна. Щоб визначити часовий ритм руху виділяють фази, тобто частини рухової дії, що розрізняються по завданню руху, його напрямку, швидкості і іншим характеристикам. Ритм пов’язаний з характером і проявом зусиль, тому по ритму можна в деякій мірі судити про ступінь досконалості рухів. У ритмі особливо важливі акценти – розміщення максимальних зусиль в часі.

Просторово-часові характеристики

За просторово-часовими характеристиками визначать, як змінюється положення і рух людини в часі, як швидко змінює людина свої положення (швидкості) і руху (прискорення).

Швидкість точки – просторово-часова міра руху точки (швидкість зміни її положення). Вона визначається відношенням шляху до часу, за який він був пройдений: V = DS/Dt, а точніше по зміні координат в часі. Так як швидкість руху людини частіше за все не постійна, а змінна (рух нерівномірний і криволінійний), для розбору вправ визначають миттєві швидкості, тобто швидкості в даний момент часу або в даній точці траєкторії – свого роду швидкості рівномірного руху на дуже малому відрізку траєкторії.
Швидкість величина векторна, тобто вона характеризує – що, куди і як швидко рухається. Лінійна швидкість точки в прямолінійному русі напрямку по траєкторії, тобто вектор швидкості збігається з вектором переміщення. У криволінійному русі вектор швидкості спрямований по дотичній до траєкторії в кожній розглянутій її точці.

Швидкість тіла визначають за швидкістю його точок. При поступальному русі тіла лінійні швидкості всіх його точок однакові за величиною і напрямком. При обертальному русі визначають кутову швидкість тіла, як міру швидкості зміни його кутового положення: w = Δjt = V/r (рад/с). Звідси лінійна швидкість точки обертового тіла дорівнює добутку кутової швидкості на радіус обертання цієї точки. З цього випливає, що чим більше відстань від точки тіла до осі обертання, тим більше лінійна швидкість цієї точки.
Швидкості складного руху твердого тіла можна визначити при лінійній швидкості будь-якого полюса і кутової швидкості обертання тіла щодо цього полюса.
Для визначення швидкості системи тіл, що змінює свою конфігурацію, визначають лінійну швидкість ОЦТ цієї системи, а також швидкості (кутові і лінійні) окремих ланок цієї системи.

Прискорення точки – просторово тимчасова міра зміни руху точки (швидкість зміни руху) – за величиною і напрямком швидкості. Кількісно прискорення визначається по зміні швидкості точки у часі: a = ΔVt = ΔS/Δt2. Прискорення – величина векторна, що характеризує швидкість зміни швидкості за її величиною і напрямком в даний момент (миттєве прискорення). У разі криволінійного руху вектор прискорення можна розкласти на складові:

  • дотичне (тангенціальне) прискорення, спрямоване вздовж дотичної до траєкторії в даній точці: a = ΔVt = r*e;
  • нормальне прискорення, спрямоване всередину кривизни перпендикулярно до вектора швидкості: ан = V2/r = w2*r.

Лінійному прискоренню в поступальному русі відповідає кутове прискорення в обертальному русі.
Кутове прискорення тіла визначається як міра зміни швидкості його кутової швидкості: e = Dw / Dt = Δ2j / Δt. Лінійне і кутове прискорення точки пов’язані, як і швидкості точки: e = a/r. І навпаки, a = e*r.

Прискорення служить гарним показником якості (тобто величини і своєчасності) прикладених зусиль. Одночасно найбільш авторитетні джерела кажуть, що прискорення системи тіл, що змінює свою конфігурацію, визначається ще складніше, ніж швидкість.

Динамічні характеристики

Якщо вивчення кінематики дає відповідь на питання «як рухається точка, тіло, система тіл?», То для вивчення (розкриття механізму) рухів – з’ясування причини їх виникнення та ходу зміни – досліджують динамічні характеристики. До них відносяться: інерційні характеристики, тобто особливості тіла людини та рухомих їм тіл; силові характеристики – або особливості взаємодії ланок тіла та інших тіл; енергетичні характеристики – стану і зміни працездатності біомеханічної системи.

Інерційні характеристики

Інерція – властивість тіл зберігати швидкість незмінною при відсутності зовнішніх впливів. Сама інерція не має міри (вимірювача). Але під дію сил різні тіла змінюють свою швидкість по-різному. Це їх властивість (інертність) – має міру. Інертність – властивість фізичних тіл, що з’являється в поступовому зміні швидкості з часом під дією сил.
Маса тіла – міра інертності тіла при поступальному русі. Вона вимірюється ставленням прикладеної сили до викликаного нею прискорення: F = m*a. У абсолютно твердому тілі є три точки, положення яких збігається – центр мас (ЦМ), центр інерції (ЦІ) і центр тяжіння (ЦТ). Але це не тотожні поняття. У ЦМ перетинаються напрямки дії сил, кожна з яких викликає поступальний рух тіла. Поняття ЦІ (точка докладання всіх фіктивних сил інерції) і ЦТ (точка докладання рівнодіюча всіх сил тяжкості) будуть розглянуті нижче.
Для обертального руху поняттю маси відповідає уявлення про момент інерції. Момент інерції твердого тіла (власний або центральний) – це міра інертності тіла при обертальному русі. Він визначається як сума моментів інерції всіх назв частинок:

I0 = Sm * r2,

де r – радіус інерції точки (відстань від точки до осі обертання).

Якщо вісь обертання не проходить через ЦМ тіла або взагалі не пов’язана з тілом, то момент інерції відносно цієї осі (повний момент інерції тіла) можна представити складаючим з двох доданків. А саме, центрального моменту інерції тіла відносно осі, що проходить через ЦМ і паралельної цієї зовнішньої осі, і твори маси тіла на квадрат відстані між цими осями: I = I0 + m*r2.

Центральний момент інерції системи тіл складається з суми центральних моментів інерції ланок системи і суми моментів інерції цих ланок щодо ЦМ системи:

I0s = SI0 + Sm * r2.

Повний момент інерції системи тіл складається з її центрального моменту інерції щодо осі, що проходить через її ЦМ і паралельної цієї зовнішньої осі, і добуток маси тіла на квадрат відстані між цими осями: Iпs = I0s + m*r2.

Силові характеристики

Рух тіла може відбуватися як під дією прикладеної до нього сили, так і без неї (за інерцією), коли прикладена тільки гальмуюча сила. Рушійні сили діють не завжди, але без гальмуюючих сил руху не буває. Сила не причина самого руху, а причина його зміни.
Сила – це міра механічного впливу одного тіла на інше. Вона чисельно дорівнює добутку маси тіла на прискорення, викликане цією силою: F = ma.

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Розмноження організмів