Министерство образования Московской области Ногинский филиал Государственного образовательного учреждения

Министерство образования Московской области
Ногинский филиал
Государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
Московского государственного областного университета
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«ОСНОВЫ БИОМЕХАНИКИ»
«профессиональный цикл»
основной профессиональной образовательной программы
по специальности 050141 «Физическая культура»
ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ
Ногинск, 2013
Составитель: Бортникова Г.И., преподаватель Ногинского филиала МГОУ.
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы биомеханики»
(далее УМКД) – является частью рабочей программы Ногинского филиала
МГОУ по специальности СПО 050141 «Физическая культура»,
разработанной в соответствии с основной профессиональной
образовательной программой.
Учебно-методический комплекс по дисциплине (УМКД) «Основы
биомеханики» адресован студентам очной формы обучения.
УМКД включает теоретический блок, перечень практических занятий и/или
лабораторных работ, задания по самостоятельному изучению тем
дисциплины, вопросы для самоконтроля, перечень точек рубежного
контроля, а также вопросы и задания по промежуточной аттестации.
СОДЕРЖАНИЕ
Наименование разделов
стр.
Введение. Предмет, цели и задачи «Основ биомеханики»
6
Образовательный маршрут
8
Раздел 1.
Предмет и история биомеханики
Тема 1.1.Биомеханика как наука и учебная дисциплина
Тема 1.2.Краткая история развития и современное
состояние биомеханики.
Тема 1.3.Основы биомеханического контроля (измерения,
технические средства и методы).
Раздел 2.
Основные понятия биомеханики
Тема 2.1. Кинематика движений человека
Тема 2.2. Динамика движений человека
Тема 2.3. Виды сил в природе
Раздел 3.
Законы сохранения энергии и импульса.
Механические свойства тел.
Тема 3.1. Некоторые механические свойства тел
Тема 3.2. Законы сохранения
Раздел 4.
Биомеханика двигательного аппарата человека.
9
Возрастная биомеханика
Тема 4.1. Биомеханика скелетных мышц
Тема 4.2. Биомеханика локомоций человека
Тема 4.3. Биомеханический контроль
5. Контроль и оценка результатов освоения учебной
11
дисциплины
6. Глоссарий
12
7. Информационное обеспечение дисциплины
13
Уважаемый студент!
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы биомеханики»
создан Вам в помощь для работы на занятиях, при выполнении домашнего
задания и подготовки к текущему и итоговому контролю по дисциплине.
УМК по «Основам биомеханики»/МДК включает теоретический блок,
перечень практических занятий и/или лабораторных работ, задания для
самостоятельного изучения тем дисциплины, вопросы для самоконтроля,
перечень точек рубежного контроля, а также вопросы и задания по
промежуточной аттестации (при наличии экзамена).
Приступая к изучению новой учебной «Основы биомеханики»/МДК, Вы
должны внимательно изучить список рекомендованной основной и
вспомогательной литературы. Из всего массива рекомендованной литературы
следует опираться на литературу, указанную как основную.
По каждой теме в УМК перечислены основные понятия и термины,
вопросы, необходимые для изучения (план изучения темы), а также краткая
информация по каждому вопросу из подлежащих изучению. Наличие
тезисной информации по теме позволит Вам вспомнить ключевые моменты,
рассмотренные преподавателем на занятии.
Основные понятия, используемые при изучении содержания
дисциплины/МДК, приведены в глоссарии.
После изучения теоретического блока приведен перечень практических
работ, выполнение которых обязательно. Наличие положительной оценки по
практическим и/или лабораторным работам необходимо для получения
зачета по «Основам биомеханики»/МДК и/или допуска к экзамену, поэтому в
случае отсутствия на уроке по уважительной или неуважительной причине
Вам потребуется найти время и выполнить пропущенную работу.
В процессе изучения «Основ биомеханики»/МДК предусмотрена
самостоятельная внеaудиторная работа, включающая рефераты, сообщения,
доклады, презентации, таблицы, глоссарии и др.
Содержание рубежного контроля (точек рубежного контроля)
разработано на основе вопросов самоконтроля, приведенных по каждой теме
(устные и письменные опросы, тесты, участие в семинарах, контрольные
работы и др.)
По итогам изучения «Основы биомеханики»/МДК проводится
дифференцированный зачет. В зачетную книжку выставляется
дифференцированная оценка. Зачет выставляется на основании оценок за
практические и/или лабораторные работы и точки рубежного контроля.
В результате освоения «Основ биомеханики»/МДК Вы должны знать:
основные понятия, термины, определения;
краткую историю развития и современное состояние;
законы кинематики и применение их в биомеханике;
законы динамики и применение их в биомеханике;
о разных видах сил в природе;
законы сохранения энергии и импульса
строение, функции и энергетику мышц;
виды мышц и мышечных волокон, значение их свойств в
разных видах спорта.
В результате освоения «Основ биомеханики»/МДК Вы должны уметь:
-
биомеханические характеристики двигательного аппарата человека
-
биомеханику физических качеств человека
-
половозрастные особенности моторики человека
-
биомеханические основы физических упражнений, входящих
в программу физического воспитания школьников
В результате освоения дисциплины у Вас должны формироваться
общие компетенции (ОК):
Название ОК
ОК 5 – готов
использовать
методы
физического
воспи
тания и
Результат, который Вы должны получить после
изучения содержания «Основы биомеханики»/МДК
учитывать состояние организма в спортивной
деятельности; оценивать влияние окружающей
среды на организм; пользоваться специальной
научно-технической, учебно-методической и
справочной литературой.
самовоспитания
для повышения
адаптационных
резервов
организма и
укрепления
здоровья
ОК 7 –готов к способен нести ответственность перед коллективом
взаимодействию с
за результаты своей деятельности
коллегами,
к
работе
в
коллективе
Содержание дисциплины поможет Вам подготовиться к последующему
освоению профессиональных компетенций в рамках профессионального
модуля «Основ биомеханики»/МДК.
Внимание! Если в ходе изучения дисциплин «Основы биомеханики»/МДК у
Вас возникают трудности, то Вы всегда можете к преподавателю прийти на
дополнительные занятия, которые проводятся согласно графику. Время
проведения дополнительных занятий Вы сможете узнать у преподавателя, а
также познакомившись с графиком их проведения, размещенном на двери
кабинета преподавателя.
В случае, если Вы пропустили занятия, Вы также всегда можете
прийти на консультацию к преподавателю в часы дополнительных занятий.
Образовательный маршрут по «Основы биомеханики»/МДК
Таблица 1
Формы отчетности, обязательные для сдачи
Количество
лабораторные занятия – не предусмотрены
практические занятия – не предусмотрены
Точки рубежного контроля
3
Итоговая аттестация (при наличии)
Желаем Вам удачи!
д/з
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Введение. Предмет, цели и задачи «Основ биомеханики».
Живой организм – это сложная физико-химическая система, в которой
специфическим образом реализуются все известные законы природы. Еще
до нашей эры исследователи начали понимать, что живой организм в
значительной степени механическая система, которая функционирует на
основе естественных законов, в том числе и законов механики. Предмет
биомеханики – изучение механических явлений в живых организмах.
Являясь частью биофизики, она находится на стыке разных наук: медицины,
физики, математики, физиологии и др. Цель – изучить биомеханические
характеристики органов и систем организма, структуру управляющих систем,
зависимости между их функциональными
и морфологическими
изменениями, диапазон адаптационных возможностей организма, включая
физические нагрузки и их отсутствие. Это позволит решать множество задач
по разработке оптимальных методов и техники воздействия на организм в
процессе спортивных тренировок, компенсации утраченных возможностей в
связи с травмами, созданию новых материалов для экипировки в спорте,
реабилитации в медицине, решении ряда задач для техники и др.
Квалифицированный учитель физкультуры и тренер должен овладеть
основными знаниями по биомеханике для понимания процессов физиологии
организма, мышечной деятельности, утомления, работоспособности,
сохранения и улучшения здоровья спортсменов и оптимизации
тренировочного процесса с целью достижения спортивных результатов.
Раздел 1.
Предмет и история биомеханики
Тема 1.1. Биомеханика как наука и учебная дисциплина
Основные понятия и термины по теме: биомеханика, биофизика,
координация, кинематика, динамика, эргометрия, локомоции, тренажер,
экипировка.
План изучения темы (перечень вопросов, обязательных к изучению):
1. Биомеханические основы движения человека
2. Физические законы в биомеханике
3. Биомеханика спорта
4. Возрастной аспект биомеханики
Краткое изложение теоретических вопросов:
1. Биомеханические основы движения человека.
Движения человека подчиняются всем законам движения материального
тела - закону тяготения, законам динамики Ньютона, законам гидро и аэродинамики, колебательных и волновых процессов и др. Однако, аппарат
движения живого организма и человека, в частности, созданный в процессе
длительной эволюции в сложных и изменяющихся условиях среды, очень
сложен.Человек, как механическая система, имеет скелет из 206 костей и
более 600 мышц, которые связаны множеством разнообразных сочленений из
материалов с разными механо-химическими свойствами. Для выполнения
работы по геометрическому изменению тела и его частей мышцы должны
быть активными, т.е. иметь источники энергии, которыми в организме
являются сложные биохимические процессы. Движение мышц управляется
нервной системой, которая связана с условиями внешней среды. У человека
движения могут быть непроизвольными и связанными с определенными
целями, что определило участие его психики в организации движений. Т.о.,
двигательная активность влияет на работу нервной системы человека и его
психику, а нервная система и сложные регуляторные и управляющие
процессы организуют движение. Это обстоятельство важно, в частности, для
спортивной биомеханики.
2. Физические законы в биомеханике.
В живом организме работают известные законы физики из разных ее
областей, начиная с законов механики движения до законов квантовой
механики. Поэтому необходимо иметь представление о прямолинейном,
криволинейном, поступательном, вращательном, колебательном и других
движениях, их кинематических характеристиках (точке, траектории,
перемещении, скорости, ускорений и др.) и их присутствии в движениях
человека. Все двигательные возможности человека определяются и законами
динамики с учетом масс, сил, скоростей, импульсов, энергий и т.д. При этом
необходимо не только понимать действие этих законов в конкретных
движениях, но и учитывать энергетические затраты , цену, движений. В
результате биомеханических исследований было обнаружено, что в
движениях часть энергии может запасаться в структурах соединительной
ткани, что снижает нагрузку на метаболизм. Зная законы Гука, действия сил
трения, законы статики, учет моментов сил и инерции тела и др., оказалось
возможным оптимизировать различные движения человека как в обыденной
жизни, так в медицине, спорте и трудовой деятельности.
3. Биомеханика спорта.
Основными задачами спортивной биомеханики являются:
- совершенствование спортивной техники, моделирование и конструирование
ее наиболее рациональных вариантов;
- биомеханический контроль техники отдельных спортсменов с целью
повышения уровня спортивно-технического мастерства;
- выявления биомеханических закономерностей совершенствования
двигательных действий:
- прогнозирования тенденций изменения параметров техники выполнения
спортивных упражнений с ростом мастерства и спортивной результативности
для оценки этапных и конечных показателей на различных циклах
подготовки;
- разработка биомеханически целесообразных тренажеров для спорта;
-совершенствование спортивного инвентаря.
Спортивная биомеханика необходима , в первую очередь, педагогамтренерам, т.к.они воспитывают и совершенствуют движения человека.
Соединив спортивную биомеханику с физиологией, психологией, биохимией
и медициной, удается выявить закономерности изменения внутренней среды
организма и внешних проявлений нервно-мышечного аппарата спортсмена в
структуре двигательных действий.
4. Возрастной аспект биомеханики
Движения, или локомоции, - это совокупность согласованных
перемещений животных и человека в пространстве
в результате
приспособления к среде обитания. Это ходьба, бег, прыжки, плавание и др.
Локомоциям свойственны индивидуальные особенности, однако все они
результат сокращения скелетных мышц, которые контролируются ЦНС.
Сознательные движения происходят при согласованной деятельности
мышечных групп – координации движений. Только при оптимальной
координации движений возможны ловкость, сила, быстрота, выносливость
человека. В координации движений участвуют все уровни нервной системы и
опорно-двигательный аппарат. Поэтому развитие двигательной активности и
координации движений связано с возрастом и тренировкой. В раннем и
дошкольном возрасте движения и механизмы их координации развиты
плохо и они совершенствуются к 17-18 годам. Причем наблюдаются
существенные различия в показателях движения у девочек и мальчиков.
Задания для самостоятельного выполнения:
1. Анатомия и физиология моторной единицы.
2. Принципильное устройство велоэргометра
3. Опишите основные движения в младенческом возрасте.
Форма контроля самостоятельной работы:
- написать реферат
- сделать сообщение в группе
- обсудить результаты на семинаре
Вопросы для самоконтроля по теме:
1.С какими областями науки связана биомеханика.
2. Зачем преподавателю физкультуры и тренеру нужна биомеханика
3. Какие физические законы необходимы для понимания движений человека
4. Почему детям необходима физическая культура. Чем ограничены
возможности занятий спортом у детей разных возрастных групп.
Тема 1.2. Краткая история развития и современное
состояние биомеханики.
Основные понятия и термины по теме: возбуждение, мотонейрон
торможение, патология, рефлекс, электромиограмма, функциональная
система.
План изучения темы (перечень вопросов, обязательных к изучению):
1. Основополагающие идеи биомеханики
2. Современное состояние биомеханики
Краткое изложение теоретических вопросов:
1. Основополагающие идеи биомеханики
Движение человека начали изучать еще в античные времена.
Древнегреческий философ Платон осознал, что управляет движение тела
человека мозг. Его ученик Аристотель впервые описал движения мышц, а
римский врач Гален установил связь между движениями мышц и суставами ,
ввел понятие о мышцах синергистах и антогонистах, о врожденных и
приобретенных формах движений. Значительный рывок в развитии
биомеханики произошел в эпоху Возрождения. Леонардо да Винчи
интересовался анатомией человека в связи с его движением, впервые описал
механику тела при сидении, стоянии, ходьбе, прыжках, разных походках. Р.
Декарт создал основу рефлекторной теории, показав роль факторов внешней
среды в ответных непроизвольных движениях. Его современник,
итальянский врач и физик, Д. Борелли опубликовал книгу « О движениях
животных», в которой он положил начало биомеханике, как науки,
рассматривая человека как машину и объясняя движения крови, мышц, и
легких с позиций статики. Его труд был опубликован раньше законов
Ньютона. В 19-20 веках были созданы методы исследования. Немецкие
ученые Браун и Фишер разработали методики регистрации движений и
электромиограмм. Используя эти методики, К.Х.Кекчеев изучал
биомеханику патологических походок. Прогресс в развитии биомеханики
был связан с работами физиологов И.М. Сеченова, А.А. Ухтомского. Анатом
П.Ф.Лесгафт создал впервые курсы по физическому образованию, где был
предмет «Теория телесных движений». Н.Е. Введенский изучал процессы
возбуждения и торможения в нервной и мышечной тканях.
2. Современное состояние биомеханики.
Большой вклад в биомеханику внесли труды И.П.Павлова о нервизме и П.К
Анохина о функциональных системах. В институтах физкультуры крупных
городов СССР проводились специальные исследования регуляции движений
человека. В 1939 г. вышло учебное пособие Е.А. Котиковой « биомеханика
физических упражнений». Большой вклад в развитие биомеханики внес
советский ученый Н.А.Бернштейн(1980-1968). Он разработал теорию
управления движениями, разработал принципы коррекций движений на
основе обратных связей. R. Granit (1955), В.С.Гурфинкель и др. (1965), Ф.А.
Северин (1967) открыли нейрофизиологические механизмы регуляции
движений. В 1973 г. R. Granit обосновал работу мотонейронов. В вопросы
физиологии спорта внесли большой вклад А.Н. Крестовиков (координация и
утомление) М.Ф. Иваницкий – связь анатомии и физкультуры. Американские
специалисты (E.W. Schrader идр.) создали протез коленного сустав,
позволявшего сохранить нормальную походку. В настоящее время создаются
протезы, которые могут управляться электрическими сигналами
непосредственно из коры головного мозга.
Задания для самостоятельного выполнения:
1. Найдите и представьте информацию о последних разработках управления
протезами, инвалидными колясками и др.. Использование компьютеров для
работы лиц с ограниченными возможностями.
2. Подготовьте материал о биомеханических достижениях в создании обуви,
оборудования, инвентаря и др. для спорта.
Форма контроля самостоятельной работы:
- проверка рабочей тетради
- тест
- устный опрос
Вопросы для самоконтроля по теме:
1.Назовите имена ученых, которые заложили основы биомеханики
до нашей эры.
2.Почему Д.А. Борелли называют родоначальником биомеханики, как науки.
3.Охарактерзуйте современные направления развития биомеханики.
Тема 1.3. Основы биомеханического контроля
(измерения, технические средства и методы).
Основные понятия и термины по теме: датчик, электромиография,
спидометрия, акселерометрия, гониометрия, магнитный
резонанс
динамометрия, циклография.
План изучения темы:
1. Измеряемые биомеханические характеристики
2. Технические средства и методики измерения
Краткое изложение теоретических вопросов:
1. Измеряемые биомеханические характеристики.
Биомеханические характеристики – это различные показатели,
используемые дл количественного описания биомеханики двигательной
деятельности человека. Биомеханические характеристики движений в их
процессе основываются на информации, получаемой непосредственно при
регистрации и измерений. Датчики регистрации могут прикрепляться
непосредственно к человеку или безконтактно. При этом биомеханический
параметр преобразуется в электрический сигнал, усиливается и попадает на
компьютер. Сигнал может быть передан через провод или телеметрически
через электромагнитное излучение (тепловое, световое или радиоволны).
Использование проводной связи возможно только в условиях лаборатории, а
радиотелеметрия дает возможность контролировать движения человека в
естественных условиях и при естественных движениях (натурные
измерения). К биомеханическим характеристиками относятся фазовые
(длительность фаз и упражнений, ритмы, темпы и циклы), кинематические
(перемещения, скорости, ускорения), динамические (масса, сила, импульс,
моменты силы, импульса, инерции), энергетические (работа, энергия,
мощность).
2. Технические средства и методики измерения:
- биомеханическая кинематография (использует скоростные кинокамеры,
тест-объект, анализатор, компьютер). Недостаток – необходимость проявки
пленки, которая требует времени;
- биомеханическая видеоциклография позволяет сразу фиксировать
изображение и анализировать его;
- оптоэлектронная циклография (лабораторный метод) в реальном масштабе
времени с использованием тест-объекта;
- динамометрия с использованием динамометрических платформ для
изучения опорных взаимодействий;
-электромиография (ЭМГ) для изучения биоэлектрической активности мышц
при разных режимах работы;
- гониометрия – методика измерения углов между звеньями тела,
сопряженными в одном суставе;
- метод магнитного резонанса для измерения релаксации мышечных волокон
после
их
возбуждения
магнитным
полем;
- акселерометрия для измерения ускорений тела или его частей;
- спидография применяется для измерения скорости.
Существуют и другие методы (измерение затухающих колебаний
мышцы,вживление датчиков силы на добровольцах, оптические и
оптоэлектронные методы) которые применяют для изучения кинематики,
динамики и энергетики двигательных действий.
Задания для самостоятельного выполнения:
1. Подготовьте сообщение на тему «Принципы работы устройств для
динамометрии»
2. Подготовьте сообщение на тему «Область применения и использование
электромиографии»
Форма контроля самостоятельной работы:
- доклад
- проверка конспекта
- презентация
Вопросы для самоконтроля по теме:
1.Расскажите о биомеханических характеристиках движения человека
2.Что такое контактные и бесконтактные методы измерения
3. Проанализируйте возможности различных методик измерения с точки
зрения информативности.
4. Что такое телеметрия
Раздел 2. Основные понятия биомеханики.
Тема 2.1.Кинематика движений человека
Основные понятия и термины по теме (перечень вопросов, обязательных к
изучению): путь, траектория, перемещение, система координат, радиусвектор, скорость, ускорение, кинематика, период, частота.
1.Механическое движение, Системы отсчета. Человек как механическая
система.
2.Временные понятия кинематики и кинематические характеристики
3.Движения по окружности. Элементы описания движений человека
Краткое изложение теоретических вопросов:
1.Механическое движение. Системы отсчета. Человек как механическая
система.
Механическое движение – это изменение положения тела в пространстве
относительно других тел. Чтобы количественно описать положение тела в
пространстве и времени и его движение, необходимо выбрать систему
отсчета. Система отсчета – это некоторое тело, относительно которого
указывают положения других тел. С телом отсчета должна быть связана
система координат и часы для регистрации времени. В физике чаще всего
используют 2 системы координат – прямоугольную и полярную. Если размер
тела и его внутренняя структура для описания его движения не имеет
значения, то его обозначают точкой.
С точки зрения механики, живой организм является объектом большой
сложности, т.к. он состоит из деформирующегося материала разной
плотности, полостей, меняющих объем, содержащих жидкости и газы, при
это может изменять вес, расти, двигаться и т.д. Телу человека свойственна
определенная геометрия, которая сходна с другими позвоночными:
двуполярность (головной и хвостовой концы), двусторонняя симметрия,
освой скелет, сегментарность и др. Однако, существуют и особенностипрямохождение, ровные зубы, высокоразвитые верхние конечности,
уникальный мозг и др. Для описания человека с точки зрения механики в его
теле выделяют плоскости и направления. Плоскость, которая делит тело
человека в вертикальном направлении на 2 симметричные половины,
называется срединной, плоскости, параллельные ей, сагиттальные.
Перпендикулярно срединной – фронтальные плоскости. Перпендикулярно
срединной и фронтальной расположены горизонтальные плоскости. По
отношению к срединной плоскости отмечают расположение: медиально
(ближе к ней), латерально – дальше. По отношению к фронтальной плоскости
спинная и брюшная стороны. Для конечностей есть термины
проксимальный (ближе к туловищу) и дистальный (дальше от туловища).
Для положения тела и движений важен общий центр тяжести (ОЦТ). У
взрослых мужчин он расположен на 15 мм позади от передне-нижнего края
тела 5 поясничного позвонка. А у женщин на 55 мм спереди от передненижнего края 1 крестцового позвонка. Во фронтальной плоскости он смещен
вправо, поэтому правая нога принимает большую нагрузку, чем левая. ОЦТ
слагается из центров тяжести частей тела (парциальных), поэтому вместе с
ними он меняет свое положение в пространстве, меняя устойчивость тела.
Устойчивость тела человека определяется величиной площади опоры,
высотой расположения ОЦТ и местом прохождения вертикали внутри
площади опоры. Устойчивость тела характеризуется углом устойчивости
(угол образован вертикалью из ОЦТ и прямой из него до края площади
опоры): чем он больше, тем больше устойчивость.
2.Временные понятия кинематики и кинематические характеристики.
Кинематика изучает механическое движение без рассмотрения его причин.
Для описания движения материальной точки используют непрерывную
линию по отношению к системе координат (траекторию). Длина траектории
называется путем. Перемещением называют вектор, соединяющий
начальную точку траектории и конечную. Для характеристики быстроты
изменения тела в пространстве использую понятие скорость. Средняя
скорость Vср=S/t. Если она одинакова на всех участка пути, то движение
равномерно. Путь на некотором участке – это разность (∆) координат и
моментов времени: Vср=∆х/∆t. Если на разных участках скорости различны,
то движение неравномерное. Мгновенная скорость V= lim ∆t→0 (∆х/∆t).
Скорость – величина векторная, вектор скорости направлен по касательной в
точке траектории. Момент времени – временная мера положения точки от
начала отсчета. Длительность движения ∆t = tкон - tнач. Темп движения
(частота) N = A/∆t, где A - количество движений. Ритм движений
определяется отношением длительностей частей движений ∆t1 ,∆t2 ,∆t3 .
Быстрота – это темп, в котором преодолевается расстояние без учета
направления (= скорость). В системе СИ путь измеряется в м, время в сек.
В общем случае при движении изменяется величина и направление
скорости. Для характеристики быстроты изменения скорости используют
ускорение: а= lim∆t→0 (∆V/∆t) – мгновенное ускорение. Если а постоянно, то
движение равнопеременное (равноускоренное или равнозамедленное).
Можно показать, что 2aS= V2 - V20 . Это уравнение удобно для практических
расчетов.
3.Движения по окружности. Элементы описания движений человека.
В природе движения чаще всего происходят по кривым линиям.
Криволинейное движение можно представить себе как последовательность
движений по окружностям, когда скорость изменяется как по величине, так и
по направлению. При равномерном движении траектория – это окружность.
В кинематике используют угловую скорость ( ω), отношение угла поворота
(φ) его радиуса-вектора: ω= φ/t. Радиан – безразмерная мера угла φ=l/R –
угол, длина дуги которого равна радиусу окружности. Полный поворот по
окружности содержит 2π радиан. Линейная и угловая скорости связаны
V= ωR. При равномерном движении вектор ускорения направлен к центруцентростремительное ускорение не меняется ац = V2/R = ω2R. При
неравномерном движении кроме центростремительного появляется и
тангенциальное ускорение, которое возникает из-за изменения вектора
скорости аτ = ∆V/∆t и направлено по касательной к окружности.
Результирующее ускорение рассчитываем по теореме Пифагора а2 = ац 2+ аτ2.
Угловое ускорение ε = ∆ω/∆t = аτ/R.
Движения человека очень сложны и плохо поддаются описанию. При
ходьбе каждая нога поочередно является опорной и переносной. В опорный
период входят амортизация (торможение тела по отношению к опоре) и
отталкивание, в переносной разгон и торможение. При беге существует
промежуток времени, когда обе ноги находятся в воздухе, а промежутков
одновременного касания опоры нет. При прыжках важно отталкивание,
которое обеспечивает максимальную скорость ОЦТ и направление.
Задания для самостоятельного выполнения:
1. Придумать и решить задачи на расчет пути при прямолинейном
равноускоренном движении.
2. Нарисовать и объяснить графики скорости, ускорения и пути при
прямолинейном движении.
3. Рассказать как находятся результирующие вектора ускорений и скоростей.
Правило параллелограмма. Примеры.
Форма контроля самостоятельной работы:
- таблицы
- конспект
- устный опрос
Вопросы для самоконтроля по теме:
1. Что такое центрифуга и какие ускорения там действуют на тело. Для чего
их используют в разных областях науки и спорта.
2.Графически изобразить последовательные движения при ходьбе.
3.Графически показать фазы полета при беге.
4. Плоскости, оси и направления для описания расположения частей тела
человека.
Тема 2.2.Динамика движений человека
Основные понятия и термины по теме (перечень вопросов, обязательных к
изучению): динамика, инерциальная система отсчета, законы динамики,
ньютон, джоуль, ватт, эргометрия, момент силы,
момент инерции,
центробежное, центростремительное и тангенциальное ускорения.
1.Основные понятия и законы динамики
2.Энергия, работа и мощность. Импульс тела. Эргометрия.
3.Силы при вращательных движениях. Вестибулярный аппарат
Краткое изложение теоретических вопросов:
1.Основные понятия и законы динамики.
Динамика изучает движение тела с учетом его взаимодействия с другими
телами, т.е. описывает движение в связи с его причинами. Описание
движение возможно только в определенной системе отсчета, наиболее
распространенной является инерциальная, которую предложил Ньютон в
качестве 1-го закона: в инерциальной системе отсчета тело движется
равномерно и прямолинейно или сохранят состояние покоя, если на него не
действуют другие тела. Если другая система отсчета движется прямолинейно
и равномерно относительно первой, то она также инерциальная. Во многих
случаях выбирают в качестве инерциальной, систему отсчета, связанную с
Землей. При взаимодействии двух тел изменяются их скорости, причем
меньше меняется скорость у тел с большей массой, поэтому масса (m) – это
мера инертности тела, т.е свойства тела оказывать сопротивление изменению
скорости его движения. Оказалось, что при взаимодействии двух тел масса
m = ( а э /а) mэ , где mэ – масса эталона, принятая за 1 кг. Измерив ускорения,
можно определить массу m = (mа)э /а, где выражение в скобках называют
силой F= ma (кг м/с2 ньютон), которая является векторной величиной,
направление которой обусловлено ускорением. 2-й закон Ньютона а = F/m: в
инерциальной системе отсчета ускорение тела прямо пропорционально
действующей силе и обратно пропорционально массе. 3-й закон Ньютона
m 1a1 = m2 a2 или F1 = - F2 : взаимодействующие тела действуют друг на
друга с одинаковыми, но противоположно направленными силами.
2.Энергия, работа и мощность. Импульс тела. Эргометрия.
Используя уравнение 2aS= V2 - V20 и 2-й закон Ньютона, получим
( m V2 )/2- (mV20 )/2 =F S cos α, где
( m V2 )/2 = Е – кинетическая энергия, т.е. энергия тела, имеющего скорость, а
F S cos α = А (н м = джоуль, Дж) – механическая работа, которая совершается
телом при изменении его скорости, т.е. кинетической энергии. Если сила
направлена в сторону движения тела – работа положительна А, если в
противоположную – А. При α= 900 работа равна нулю. Работа в единицу
времени называется мощностью Р=А/t (Дж/с = Ватт, Вт). Мощность
полезная всегда меньше мощности затраченной: КПД = (Рп /Рз) 100% .
Мощность можно измерить с помощью эргометра. Для человека
используется велоэргометр, в котором испытуемый преодолевает силу
трения. Измеряя работу при каждом обороте и зная число оборотов можно
найти полную работу и среднюю мощность.
3.Силы при вращательных движениях. Вестибулярный аппарат.
Тангенциальная и центростремительная сила при вращении связаны с
массой вращающегося тела и соответствующими ускорениями, их
положениями и направлениями. При вращательных движениях часто
используют не силу , а момент силы, действующий на тело М=± F h , где +
вращение по часовой стрелке, а – против, h- плечо силы (кратчайшее
расстояние от оси вращения до линии действия силы в плоскости вращения.
Угловое ускорение ε = аτ/R= F/ m R= M/ h m R =M/m R2 , при h=R, где М
момент силы, а m R2 = J - момент инерции. Отсюда закон вращения ε = М/J –
угловое ускорение является отношением момента действующей силы к
моменту инерции относительно оси вращения. Для оценки угловых и
линейных ускорений у человека сформировался орган равновесия и
инерциальной навигации – вестибулярный аппарат, рецепторные клетки
которого реагируют на перемещение эндолимфы с определенным
ускорением.
Задания для самостоятельного выполнения:
1. Строение и механизм работы вестибулярного аппарата.
2. Устройство велоэргометра.
Форма контроля самостоятельной работы:
- устный опрос
- проверка рабочих тетрадей
-доклады
Вопросы для самоконтроля по теме:
1. Что такое момент силы и момент инерции
2. Какая сила производит вращение, если известны центростремительная и
тангенциальная силы
3. Мощности электрических лампочек
Тема 2.3. Виды сил в природе
Основные понятия и термины по теме: гравитация, тяготение, упругость,
деформация, сопротивление, инерция, момент силы, момент инерции,
свободные оси, центр масс, равновесие, рычаги, балансиры, блок, наклонная
плоскость.
План изучения темы (перечень вопросов, обязательных к изучению):
1. Виды сил в природе.
2.Центр масс тела. Вращательное движение твердого тела. Свободные оси.
Масс - инерционные характеристики тела человека.
3.Статика .Простейшие механизмы. Рычаги в ОДА человека.
Краткое изложение теоретических вопросов:
1. Виды сил в природе.
Взаимодействие
тел
характеризуется
разными
силами.
Самой
фундаментальной силой в природе является гравитационная. Ньютон
сформулировал закон Всемирного тяготения: F=- γ mM/R2, где γ=6,67 10-11
Н м2/кг2 – постоянная Ньютона, М m – взаимодействующие массы, R –
расстояние между ними. Сила упругости – следствие гравитационной,
создающей давление и вызывающей изменение формы (деформацию) массы.
Изменению формы противостоит сила упругости, которая компенсирует
сдвиг частиц тела. Закон Гука для малых деформаций: F = - к х, где ккоэффициент жесткости (н/м), х- смещение. Силы трения возникают при
взаимодействии масс из-за сцепления между ними (от неровностей
поверхностей, сил давления, молекулярного взаимодействия и др.). Сила
трения покоя возникает на границе соприкасающихся тел при отсутствии их
относительного движения, направлена по касательной к поверхности по
касательной и соответствует 3-му закону Ньютона: Fтр =- F. Сила трения
скольжения возникает при движении и является силой упругости N=-P,
обусловленной силой тяжести (P): Fcк = μN, коэффициент трения μ –
безразмерная величина определяется экспериментально для разных
материалов. Сила трения качения связана с деформацией опоры (дороги)
описана Ш.Кулоном: F кач = к N/r, где к – коэффициент трения качения, Nсила давления, r- радиус колеса. Если покрытие дороги твердое, то вместо к
используют в – расстояние между теоретической точкой опоры колеса и
первой точкой соприкосновения шины с поверхностью, обусловленной
деформацией колеса. Сила сопротивления при движении в жидкости или
газе зависит от скорости (V) движения тела, его формы, поверхности тела и
ее величины и положения (S) : Fc = (S k ρV2)/2, где л- коэффициент
сопротивления, ρ -плотность воздуха.
2.Центр масс тела. Вращательное движение твердого тела. Свободные оси.
Масс - инерционные характеристики тела человека.
Массой тела называется сумма масс всех точек (частей), из которых оно
состоит. На практике удобно описывать движение реального тела как точки –
центра масс. Центром масс тела из n точек называется точка с радиусом
вектором R =( m1R1 + m2 R2 +… +mn Rn)/(m1 + m2 +…+mn). В симметричных
однородных телах центр масс расположен в центре симметрии или на оси
симметрии, внутри массы или вне ее. В инерциальной системе отсчета
ускорение центра масс тела равно отношению суммы внешних сил к массе
(равнодействующая внутренних сил равна нулю). Если тело движется так,
что любой его отрезок остается параллельным своему начальному
положению, то движение поступательное. При таком движении траектории
всех точек и характеристики их движения одинаковы.
При вращении твердого тела относительно оси, угловые скорости точек
на разном расстоянии от оси одинаковы, а линейные различны. Если твердое
тело вращается вокруг оси под действием некоторой силы, не
перпендикулярной оси вращения, то ее можно разложить на составляющую,
параллельную оси вращения, и силу, лежащую в плоскости вращения. Сила,
параллельная оси не вызывает вращения, а сила (F) в плоскости вращения
имеет плечо( расстояние от оси вращения до линии действия силы, h). M = ±
F h, момент силы. Показано, что кинетическая энергия вращающегося тела
равна половине произведения его момента инерции на квадрат угловой
скорости E = (J ω2)/2. А угловое ускорение ε = М/J – основное уравнение
динамики вращательного движения. Выражение L= J ω – момент импульса
(кг м2/с) . Моменты инерции m R2 = J туловища человека и его конечностей
вычисляют по формуле для цилиндра J =0,3 m l2 , где m- масса звена, а l –
его длина. Момент инерции тела определяется суммой моментов инерции
звеньев его тела. Очевидно, что минимальный момент инерции тело имеет в
выпрямленном состоянии, когда 1 – минимально т.е. скорость вращения
максимальна. Свободные оси – оси, которые без специального закрепления
сохраняют свое направление в пространстве (ось вращения Земли,
брошенного тела, свободно вращающегося тела). В любом теле имеется не
менее 3-х взаимно перпендикулярных свободных осей (главные оси
инерции). При отсутствии внешних воздействий устойчивое вращение
возможно вокруг 2-х осей, относительно которых тело имеет наибольший и
наименьший момент инерции, может самопроизвольно переходить во
вращение с наибольшим моментом инерции, которое является большее
устойчивым.
Масса тела человека и отдельных его сегментов важны для биомеханики.
Каждое звено тела человека имеет свой парциальный центр масс. Раньше
геометрию масс тела человека находили на трупах, затем с помощью
рентгеновского просвечивания. В настоящее время существуют уравнения
регрессии с заранее рассчитанными коэффициентами, которые позволяют
используя рост и вес человека, рассчитать парциальные массы, центы
тяжести звеньев тела и др.
3.Статика. Простейшие механизмы. Рычаги в ОДА человека.
Статика – часть динамики, изучающая условия равновесия тел.
Равновесие тела – это такое его положение, которое сохраняется без
дополнительных воздействий. Условия равновесия твердого тела: 1. Тело не
начнет двигаться поступательно, если сумма сил, действующих на тело,
равна 0; 2. Тело не придет во вращательное движение, если для любой оси
сумма моментов сил, действующих на тело, равна 0 (правило моментов); 3.
Соблюдаются оба условия. Для любого тела существует единственная точка,
для которой соблюдается правило моментов – это центр тяжести (центр
масс). При отклонении тела от положения равновесия, силы, действующие
на него изменяются, равновесие нарушается. Для тела, опирающегося на 1
точку, существует 3 вида равновесия: устойчивое (при отклонении от
равновесия возникает возвращающая сила, безразличное (при отклонении
тело остается в равновесии), неустойчивое (при малом отклонении
возникают силы, увеличивающие его). Равновесие будет устойчивым, если
центр тяжести расположен ниже оси вращения, а при неустойчивом – ЦТ
выше оси вращения.
Простейшие механизмы основаны на законах статики. Рычаг – твердое
тело в виде стержня, которое может вращаться вокруг неподвижной оси. По
правилу моментов при равновесии рычага под действием 2-х параллельных
сил, ось вращения делит расстояние между точками приложения сил (F) на
отрезки (L) обратно пропорциональные силам: F1/F2 =L2/L1. В зависимости от
расположения точек приложения сил и оси различают рычаги 1 и 2 рода.
Рычаг 1 рода - силы расположены по обе стороны от оси. Рычаг 2 рода –
силы расположены по одну строну от опоры. Рычаг не дает выигрыша в
работе, но дает либо в силе, либо в перемещении. По типу рычага устроены
суставы, коси и мышцы. Балансир- двуплечный рычаг, совершающий
колебательные движения вокруг оси (в маятнике). Блок неподвижный на лает
выигрыша в силе, но позволяет изменить ее направление. Блок подвижный
уменьшает силу в 2 раза. Наклонная плоскость(наклон угол α). для
тренировок и реабилитации после травм. На ней находится ось абсцисс от
точки ее опоры и ось ординат, перпендикулярная ей. На тело на наклонной
плоскости действуют сила тяжести, сила трения и сила реакции опоры.
Задания для самостоятельного выполнения:
1. Рычаг 1 рода, обеспечивающий равновесие головы.
2. Рычаг 2 рода, позволяющий встать человеку на цыпочки.
3.Рычаг 2 рода предплечья человека.
Форма контроля самостоятельной работы:
- конспект
- доклад
-презентация
Вопросы для самоконтроля по теме:
1. Система вытяжки костей при переломах Рассела.
2. Придумать и решить задачи на равновесие рычага 1 рода.
3. Придумать и решить задачи на равновесие рычага 2 рода.
Раздел 3. Законы сохранения энергии и импульса.
Механические свойства тел.
Тема 3.1.Некоторые механические свойства тел
Основные понятия и термины по теме: деформация, упругость, тяготение,
невесомость, перегрузка, фермы Митчела, линии Лангера, дерма, коллаген,
эластин, галтельность, гидроксилапатит, акустическая анизотропия.
План изучения темы (перечень вопросов, обязательных к изучению):
1.Виды деформаций. Твердость и разрушение.
2. Механические свойства биологических тканей
3.Неинерциальные системы отсчета. Перегрузки и невесомость. Влияние на
организм человека.
Краткое изложение теоретических вопросов:
1.Виды деформаций. Твердость и разрушение.
Деформация – изменение взаимного расположения точек и тела. При
действии деформирующей силы расстояние между частицами тела
изменяется. Это приводит к возникновению сил, стремящихся вернуть атомы
в первоначальное положение. Мерой этих сил является напряжение (σ),
которое измеряется через внешние силы (F): σ=F/S (н /м2, паскаль, Па), где
сила направлена перпендикулярно площади сечения S. Под действием силы
меняется длина и ширина стержня (незначительно, поэтому не учитывается).
При растяжении и сжатии отношение изменения длины (∆1)по отношению
к ее первоначальной величине (1) называется относительной деформацией: ε
= (∆1/1) 100%. Для небольших деформаций существует связь, выражаемая
законом Гука σ=Е ε - напряжение прямо пропорционально деформации, где Е
(модуль продольной упругости, Юнга) показывает напряжение, при котором
образец увеличивается в 2 раза (ε =2). Самые большие напряжения в стержне
возникают в средней части, а самые малые – на его концах. При сдвиге (когда
деформирующая сила действует параллельно закрепленному основанию
тела). Возникает угол (γ) сдвига и смещение площади (S )свободного
основания на (∆1). При деформации сдвига возникает касательное
напряжение: τ = F/S. При небольшой деформации τ= Gγ, где G – модуль
сдвига (Па). Изгиб
характеризуется искривлением оси стержня под
действием внешних сил, один наружный слой сживается, а другой
растягивается, средний слой нейтральный, сохраняет длину. Продольный
изгиб возникает под действием сил вдоль бруска, а поперечный –
перпендикулярно, часто изгибы продольно-поперечные. Величина изгиба
максимальна в однородном стержне в его центре (стрела прогиба). Кручение
–взаимный поворот поперечных сечений стержня под влиянием пар сил в
плоскости этих сечений (например, нижнее основании закреплено, а верхнее
поварачивают). Сдвигаются точки, лежащие на одной вертикали,
максимально по краям (неоднородный сдвиг). Относительная деформация (θ)
при кручении характеризуется углом поворота (φ) одного основания
относительно другого: θ = φ/1, где 1 – длина стержня. Однако, все
деформации являются различными комбинациями сжатия-растяжения и
сдвига. При деформации твердых тел напряжение связано с относительной
деформацией
определенной
зависимостью,
в
которой
упругая
деформация→пластическая деформация→деформация текучести→предел
прочности (разрушение). Прочность – способность выдерживать нагрузку,
предел прочности – предельное напряжение, при котором образец
разрушается. Твердость – сопротивление материала местной пластической
деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела
(индентера). Разрушение – макроскопическое нарушение целостности
материала в результате воздействий. Оно происходит постепенно: развитие
пор→ трещин→разделение на части. Различают хрупкое и вязкое
разрушения. При вязком постепенно возникает упругая деформация до
появления необратимых изменений, вследствие развития трещин. Его можно
замедлить и остановить, снизив нагрузку. Если нагрузка не снижается
происходит разрушение (разрыв). При хрупком разрушении
упругая
деформация завершается очень быстро, затее трещина и разрушение.
Зарождение трещины и ее рост приводят к изменению конструкционных
качеств деформируемого тела и могут закончиться разрушением.
2.Механические свойства биологических тканей.
Фактором, определяющим механические свойства и характер процесса
разрушения, является структура тканей. Биологические ткани являются
неоднородными композитными материалами, образованными химически
неоднородными компонентами. Состав каждого типа ткани сформировался в
связи с функцией в эволюции. Костная ткань – у взрослого человека 12 кг.
В компактной костной ткани половину составляет неорганический материал
гидроксилапатит в виде кристалликов (упругая деформация), а половина из
волокнистого белка коллагена (эластичность). В костях нижних конечностей
находятся высокопрочные волокна в окружных и спиральных
перекрещивающихся направлениях. Ориентация костных перекладин
параллельна линиям основных напряжений. Под каждую нагрузку
формируется своя структура – ферма Митчелла. Для конструкции костей
характерна галтельность – округление внутренних и внешних углов, которая
снижает напряжение в местах изменения формы. Зоны различной твердости
формируются в костях в связи с нагрузкой. Кожа – граница раздела между
телом и окружающей средой. Это самый крупный орган тела, состоит из 3
слоев, связанных между собой эпидермиса, дермы и подкожной жировой
клетчатки (гиподермы). Толщина слоев, как и их механические
характеристики, различны для разных участков тела в связи с нагрузками.
В состав кожи входят волокна коллагена (75%) и эластина(4%).
Механические свойства кожи зависит от
возраста, но плотность ее
максимальна на ладонях и ступнях, меньше на гленях и предплечьях, еще
меньше на других частях тела. Обнаружена акустическая анизотропия
участков кожи (разная скорость проведения звуковых волн по разным
направлениям), проявление которой связано с ориентацией линий
естественного натяжения кожи (линий Лангера). Мышечная ткань – состоит
из мышечных волокон и соединительной ткани (внеклеточного вещества) из
коллагена и эластина и пронизана кровеносными сосудами и нервами. По
строению мышцы бывают гладкие (из веретенобразных клеток без
поперечной исчерченности) и поперечно-полосатые (из длинных
многоядерных волокон мышц и коротких (в сердце), имеют поперечнополосатую исчерченность). Между нагрузкой (Р) и скоростью сокращения
(V) мышцы при изотоническом
(постоянство напряжения мышцы)
существует зависимость, выражаемая уравнением Хилла: V = b (P0 - P)/(P+a),
где P0 – максимальная сила без удлиннения мышцы, а – постоянная,
имеющая размерность силы, b – постоянная , имеющая размерность скорости
Р – нагрузка. Если Р=0, то скорость сокращения максимальна, если Р=Р0 , то
скорость равна нулю, т.е. мыщца не сокращается. Используя это уравнение и
формулы работы и мощности, получаем, что максимальную мощность
мышца развивает при нагрузке Р=0,31 Р0 . КПД мышцы 40-60%. Сосудистая
ткань состоит из коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. С
удалением от сердца увеличивается количество гладких мышц. При заданном
давлении (Р) равновесное состояние сосуда описывается уравнением Ламе:
σ=Рr/h, где σ – механическое напряжение сосуда, r- внутренний радиус
сосуда, h – толщина стенки.
3.Неинерциальные системы отсчета. Перегрузки и невесомость. Влияние на
организм человека.
Неинерциальные системы отсчета имеют ускорение ас по отношению к
инерциальным системам отсчета. Векторная величина Fи = - m ac ,
направленная в сторону, противоположную ускорению системы, называется
силой инерции. Д Аламбер, французский физик, установил, что, если ко всем
силам добавить силу инерции, то в неинерциальной системе можно
использовать все законы и формулы, справедливые для инерциальных систем
отсчета. Тело на нити находится в равновесии, если вес и сила натяжения
равны mg + T = 0. Если тело находится внутри лифта, движущегося вверх с
ускорением а, то -mg + T - mа = 0, то Т = m(g + а). Сила инерции неотличима
от тяготения. Поэтому сила тяжести это сумма силы инерции и тяготения
Fтяж = Fтяг + Fи . Сила тяжести сообщает всем телам в неинерциальной
системе отсчета одинаковое ускорение, с которым связаны понятия
вертикаль и горизонталь. Вертикаль – линия, вдоль которой направлена сила
тяжести, горизонтальная плоскость перпендикулярна ей. При учете вращения
Земли Fтяж = Fтяг - Fи, где Fтяг направлена к центу тяжести Земли, а Fи
направлена к оси вращения на широте места. Можно рассчитать, что сила
инерции составляет 0,3% от силы тяжести. Вес тела – это сила, с которой
тело действует на неподвижную относительно него горизонтальную опору.
Он зависит от тяготения и ускорения. 1 кг силы (кгс) = 9,8 Н. Масса отражает
инертные свойства тела и не зависит ни от тяготения, ни от ускорения.
Состояние тела, в котором вес тела больше, чем на Земле, называется
перегрузкой. Перегрузку испытывает тело, находящееся в системе отсчета, в
которой сила тяжести больше земной: перегрузка = а/g = 5 g/ g = 5 –
пятикратная перегрузка. Величина перегрузки определяется отношением
Fтяж/mg = (1+ω4 r2 /g)0,5 . Невесомость – состояние тела, при котором вес
равен нулю, возникает внутри любого аппарата, движущегося под действием
силы тяготения: mg = ma, где a= - g. В реальной жизни при любых
движениях человек взаимодействует с опорой, к которой его прижимает сила
тяжести, в невесомости отсутствует взаимодействие с опорой. Движение в
безопорном пространстве требует определенных навыков, учитывающих
законы сохранения импульса и момента импульса. Длительное пребывании в
невесомости приводит к недозагрузке ОДА, поэтому необходимо создавать
на космической станции искусственную гравитацию путем вращения
станции.
Задания для самостоятельного выполнения:
1.Рассказать о механизме повреждения трубчатых костей вследствие изгиба.
2. Рассчитайте искусственное тяготение.
3. Основные медико-биологические последствия пребывания в безопорном
пространстве.
Форма контроля самостоятельной работы:
- конспект
- доклад
-презентация
Вопросы для самоконтроля по теме:
1. Что такое деформация тела. Почему возникает сила упругости.
2. Как происходит разрушение материала постепенное и быстрое.
3. Чем отличается неинерциальная система отчета от инерциальной. В чем
заслуга Д Аламбера.
4. Чем отличаются масса, вес тела, сила тяжести, тяготение, гравитация.
Тема 3.2.Законы сохранения
Основные понятия и термины по теме: энергия потенциальная, энергия
кинетическая, момент силы, импульс массы, импульс силы, законы
сохранения, реактивное движение, колебания, резонанс.
План изучения темы (перечень вопросов, обязательных к изучению):
1.Закон сохранения энергии в механике.
2.Закон сохранения импульса. Реактивное движение. Удары.
3.Механические колебания. Резонанс в спортивных движениях.
Краткое изложение теоретических вопросов:
1.Закон сохранения энергии в механике.
Если работа сил по перемещению по замкнутому контуру равна 0, то
такие силы называют потенциальными ли консервативными:1.Работа
консервативной силы не зависит от траектории движения, а определяется
только начальным
конечным положениями тела; 2. При изменении
направления перехода работа меняет знак , но не меняет величины. Работу
консервативной силы рассчитывают через уменьшение потенциальной
энергии. Потенциальной энергией называется скалярная величина, равная
работе консервативной силы при переходе тела из данного положения на
выбранный уровень отсчета. Гравитационная потенциальная энергия равна
Еп =mgh. Потенциальная энергия упругих тел связана с взаимодействием
молекул при небольших деформациях. Потенциальная энергия растянутой
пружины Еп = кх2/2, где к –жесткость, х – деформация. Для потенциальной
энергии формулы могут быть разными для разных сил. Потенциальная
энергия – это энергия, которой обладает тело, благодаря своему положению
по отношению к другим телам, или благодаря взаимному расположению
частей одного тела. Если движение тела совершают только консервативные
силы, то полная механическая энергия тела равна сумме потенциальной и
кинетической:
Е = Еп + Ек. Эта полная энергия при любых изменения
внутри суммы не изменяется Е – const – закон сохранения механической
энергии. При движении происходит переход кинетической энергии в
потенциальную и наоборот. Если на тело действую другие силы, не только
консервативные, то закон сохранения механической энергии не выполняется
Е2 – Е1 = А не конс. , где А – работа неконсервативных сил. Так, велосипедист
испытывает действие силы трения, которая совершает отрицательную
работу, которую необходимо компенсировать положительной работой мышц.
2.Закон сохранения импульса. Реактивное движение. Удары.
Импульс тела – векторная величина р = m v (кг м/с), где v – скорость
центра масс. С учетом этого определения второй закон Ньютона F=a m =
∆p/∆t, где ∆p/∆t - импульс силы для малой длительности. Изменение
импульса системы тел равно импульсу действующих на нее внешних сил.
Система тел , которые взаимодействуют только между собой и не
взаимодействуют с другими телами, называется замкнутой. Для такой
системы внешних сил нет ( F=0, ∆p=0). Векторная сумма импульсов тел в
замкнутой системе сохранятся: р1 = р2 - закон сохранения импульса. В
реальной жизни закон сохранения импульса верен при малых интервалах
времени. На законе сохранения импульса основано реактивное движение –
движение тела, возникающее при отделении от тела некоторой его части с
определенной скоростью Так, первоначальный импульс ракеты со скоростью
v с топливом М равен 0. При сгорании части топлива m, образуются газы,
которые выбрасываются с определенной скоростью u. Импульс ракеты
сохраняется: р1 = р2 , значит mu+ (М-m)v =0. Тогда v = -mu/(M-m). По мере
сгорания топлива скорость возрастает. Ударом называется кратковременное
значительное столкновение между телами. Различают абсолютно упругий
удар – когда сохраняется кинетическая энергия и ее импульс, а формы тел
восстанавливаются. Абсолютно неупругий удар – при столкновении тела
слипаются, тела нагреваются, кинетическая энергия уменьшается, деформция
не восстанавливаются. Реальные удары имеют элементы этих двух. Поэтому
после удара скорость не восстанавливается к = v1 /v2 – коэффициент
восстановления. Если к=1 , то удар абсолютно упругий, если к=0 – то
абсолютно неупругий. При игре в теннис к=0,7. Ракетка массой М со
скоростью v0 ударяет по мячу массой m, который приобретает скорость u, а
ракетка – скорость v, тогда М v0 =М v + mu.
3.Механические колебания. Резонанс в спортивных движениях
Колебания – это движения или изменения состояния, обладающие
определенной степенью повторяемости. Система из нескольких
взаимодействующих тел, в которой могут происходить колебания,
называется
колебательной
системой.
Свободными
механическими
колебаниями называют колебательные движения системы, выведенной из
равновесия вследствие смещения или сообщения начальной скорости. Такие
колебания совершаются при отсутствии внешнего воздействия за счет
первоначально накопленной энергии. При отклонении тела из положения
равновесия возникает возвращающая сила, направленная в сторону
положения равновесия. На основе закона Гука и 2 закона Ньютона выводится
формула гармонических колебаний (амплитуда изменяется по закону синуса
или косинуса): х = А cos (ω0 t + ω0) , где х – смещение от положения
равновесия, А –амплитуда колебаний, ω0 – собственная круговая
(циклическая) частота колебаний, φ =(ω0 t + ω0) – фаза колебаний, φ0 –
начальная фаза колебаний при t=0. Период Т = 2π/ ω0 = 2π (m/k)0,5.
Колеблющаяся точка в любой момент времени обладает кинетической
энергией движения и потенциальной энергией сжатия пружины: Е = Ек+Еп =
0,5 m А2 ω02. В реальных условиях сопротивления окружающее среды
энергия движения маятника уменьшается и колебание затухает тем быстрее,
чем больше коэффициент затухания (β). Чтобы колебания продолжались
(вынужденные колебания), необходимо воздействие внешних сил. Если
внешняя сила изменяется по гармоническому закону, то устанавливается
частота вынуждающей силы, амплитуда которой зависит от собственной
частоты колебаний, массы, амплитуды и частоты вынуждающей силы и
коэффициента затухания. Если собственная частота и коэффициент
затухания заданы, то амплитуда вынужденных колебаний имеет
максимальное значение при определенной частоте вынуждающей силы,
которая называется резонансной, а само явление – резонанс. Амплитуда при
резонансной частоте А = f0/ 2β (ω02- β2)0,5, где f0 - частота вынужденной силы.
При наличии 2-х колебаний вдоль одной линии и одинаковых частотах
полное смещение равно сумме 2-х смещений. Однако колебания реально
более сложны. Фурье предложил метод разложения любой периодической
функции в ряд гармонических функций, периоды которого кратны периоду
сложного колебания (метод разложения – гармонический анализ). В
результате разложения получается гармонический спектр сложного
колебания. Поскольку колебания лежат в основе всех процессов движения
организма человека, то существует ряд методов анализа этих колебаний:
статокинезометрия (метод оценки способности спортсменов созранять
вертикальную позу), стабилография (стабилограмма - метод оценки
способности спортсмена удерживать проекции центра масс в пределах
опоры) на стабилоплатформе. Для оценки колебаний тела человека от работы
сердца используют сейсмокардиографию по объему циркулирующей крови.
Баллистокардиография – регистрация пульсовых колебаний тела при
выбросе крови из желудочков сердца (явление отдачи).
Задания для самостоятельного выполнения:
1. Покажите изменения формы энергий камня при его падении с высоты.
2. Используя закон сохранения импульса, проведите анализ характеристик
движений 2-х хоккеистов после столкновения.
Форма контроля самостоятельной работы:
- конспект
- доклад
-презентация
Вопросы для самоконтроля по теме:
1. Сформулируйте закон сохранения энергии.
2. Сформулируйте закон сохранения импульса. Приведите примеры из
спорта.
3. Что такое резонанс и от чего он зависит.
4. Какие методы анализа колебаний применяются в медицине и спорте.
Раздел 4. Биомеханика двигательного аппарата человека
Тема 4.1.Биомеханика скелетных мышц
Основные понятия и термины по теме: миозин, актин, тропонин,
тропомиозин,
саркомер, поперечные мостики, моторная единица,
мотонейрон,
сила,
рабтоспособность.
гибкость,
быстрота,
ловкость,
выносливость,
План изучения темы (перечень вопросов, обязательных к изучению):
1.Биомеханические цепи. Строение и механика скелетных мышц.
2.Характеристика двигательных качеств (силы,
быстроты, ловкости, выносливости, гибкости)
работоспособности,
Краткое изложение теоретических вопросов:
1.Биомеханические цепи. Строение и механика скелетных мышц.
С точки зрения механики, человек – это система подвижно соединенных
звеньев с их массами, размерами, моментами инерции, имеющих мышечные
двигатели. Эти звенья являются анатомическими образованиями,
состоящими из костей, сухожилий, мышц и фасций, суставов и внутренних
органов. Количество соединений звеньев и число степеней свободы живого
организма( общее число возможных независимых движений частей тела)
требует нервно-мышечного управления, которое состоит в ограничении этих
избыточных степеней свободы. Количество мышц (около 600) превышает
число звеньев тела. Мышцы разнообразны по форме, размерам, креплению,
величинам развиваемых усилий и не обладают обратным действиям. Каждая
мышца состоит из многих двигательных единиц, каждая единица
управляется через собственный
мотонейрон. Основной функцией
поперечно-полосатой мышцы является сократимость. В основном, мышцы
прикрепляются к костям, но ик хрящам, фасциям и сухожилиям. Сухожилие
– соединительно-тканный пучок с круговым или овальным сечением, плоское
сухожилие – апоневроз. Сухожилие покрыто оболочкой перитендинием.
Мышцы различаются по форме, числу головок, количеству брюшек,
направлению пучков, по функциям и расположению. Сокращение мышц
приводит в движение части скелета – рычаги. 2-я сила – сила тяжести или
другое сопротивление. Антогонисты при сокращении оказывают
противоположное действие, синергисты выполняют однотипные движения.
Начало мышц проксимально и прикрепление – дистально. Мышца состоит из
параллельных мышечных волокон (клеток), которые многократно образуют
пучки (первого, второго и т.д. порядка). Пучки связываются рыхлой
соединительной тканью (эндомизием). Весь мускул покрыт перимизием. С
костью мышца соединяется сухожилием, которое связано с эндомизием и
сарколеммой. В мышцах высокий обмен веществ, они богаты сосудами и
нервами. Мышцы теснейшим образом соединены со скелетом, сокращаясь,
мышца развивает силу, сближая точки прикрепления. Мышца сокращается в
ответ на электрическое возбуждение от двигательных нейронов. В месте
контакта
нерва
с
мышцей
высвобождается
медиатор
ацетилхолин→потенциал действия вдоль сарколеммы→ высвобождается
Са→скользящие движения актиновых фибрилл между миозиновыми→
сокращение мышцы. Различают 2 типа сокращений – изотоническое
(укорочение волокон при неизменном напряжении) и изометрическое
(напряжение возрастает, но волокна не укорачиваются, т.к. концы
закреплены).В природе в чистом виде их нет. Существует 2 типа мышечных
волокон интрафузальные (нервно-мышечные веретена – рецепторное поле
мышцы, проприорецептры) и экстрафузальные (создающие силу). Каждое
моторное нервное волокно из передних рогов спинного мозга иннервирует
группу мышечных волокон (моторная единица): чем больше мышечных
волокон, тем менее точные мышечные движения. Существуют быстрые
(фазические) и медленные (тонические) мышечные волокна. В покое
существуют редкие разряды потенциалов действия, обеспечивающие
мышечный тонус. При максимальном сокращении частота разрядов 50 1/с.
Работа мышцы выражается произведением величины груза на величину
укорочения мышцы. Максимальную мощность мышца развивает при средних
нагрузках (правило средних нагрузок). Работа по перемещению –
динамическая, по созданию напряжения без перемещения – статическая.
2. Характеристика двигательных качеств (силы, работоспособности,
быстроты, ловкости, выносливости, гибкости).
Двигательные качества – это отдельные стороны моторики человека.
Они проявляются в одинаковой форме движений, физиологических
механизмов и обеспечения энергией. Поэтому и методы тренировки разных
качеств сходны. При сокращении мышцы сила мышцы на 1 см2 ее
поперечного сечения называется абсолютной мышечной силой (для человека
50-100 Н/см2). Скорость сокращения мышцы v = ∆l/ ∆t = (F1 –F) b/(F +a), где
F – сила, которую преодолевает мышца, F1 – максимальная сила мышцы, а= 4
105 дин /см2 – постоянная, b – постоянная разная для разных мышц. Если
F=0, то мышца все равно сокращается. Сила сокращения –это разность между
общей силой, которую мышца развивает при раздражении, и упругой
восстанавливающей силой, обусловленной растяжением мышцы сверх ее
нормы. Тонкие нити актина проходят сквозь поперечные перегородки
(пластинки Z). Если нити актина и миозина не накладываются друг на друга
(расстояние между пластинками 3,65 мк), то волокно неспособно развивать
силу. По мере сближения пластинок расстояние уменьшатся и на расстоянии
2,2 мк все боковые выступы миозина приходят в контакт с нитями актина,
образуя поперечные мостики, которые и ответственны за возникновение
силы. При дальнейшем сближении до расстояния 2,05 мк сила постоянна.
Дальше сила убывает, т.к миозиновые нити приходят в соприкосновение с
пластинками, и даже сминаются (сила исчезает). Сила, развиваемая мышцей,
соответствует сумме сил отдельных волокон, поэтому сила пропорциональна
толщине мышц. Мышечная сила зависит не только от активирующего
влияния ЦНС, но и от внешних механических условий. Сила мышц
измеряется тем максимальным напряжением, которое она способна развить в
условиях изометрического сокращения. Перистые мышцы имеют больший
поперечник и обладают большей силой сокращения. Проявление силы
связано с характером ее закрепления к костям в механических рычагах,
зависит от возбудимости, лабильности и питания, от внутри- и
межмышечной координации работы мышц. Сила и скорость сокращения
мышцы увеличивается по мере активации все большего числа двигательных
единиц. Быстро укорачиваясь , мышца развивает меньшую силу, чем при
медленном укорочении или после предварительного растяжения.
Относительная сила – отношение максимальной силы к весу. «Взрывная
сила» характеризуется скоростно-силовым индексом I = Fмакс /t при
максимальной силе мышцы в определенном положении.
Физическая работоспособность. Работа мышц является смешанной.
Найдено, что наибольший груз, который в состоянии удержать мускул с
поперечником 1 см2 в среднем 10 кг – абсолютная мышечная сила. Развитие
быстроты –двигательного действия в минимальный отрезок времени. Она
зависит от скорости мышечного сокращения, мощности и мобилизации
химической энергии в механическую работу. Максимальная быстрота
достигается в
8-16 лет. При тренировках развивается скоростная
выносливость. Развитие быстроты положительно влияет и на развитие силы.
Развитие ловкости – способности быстро овладевать новыми движениями и
перестраивать деятельность соответственно меняющимся обстоятельствам .
Критериями ловкости являются координация и точность движений.
Выносливость –способность человека выполнять работу длительное время
без снижения работоспособности. Основным лимитирующим фактором
является утомление. Выносливость - это способность предолевать утомление.
Выносливость бывает общая и специфическая.
Развитие
гибкости
(подвижности в суставах) как способности выполнять движения с большей
или меньшей предельной амплитудой, зависит от наследственности, вида
спорта, пола и возраста. Подвижность в суставах снижается с ростом
мышечной силы. При силовом развитии гибкости возникают заболевания в
суставах.
Задания для самостоятельного выполнения:
1.Методика развития (тренировки) силы мышц.
2. Покажите известные амплитуды движений в суставах.
Форма контроля самостоятельной работы:
- конспект
- доклад
-презентация
Вопросы для самоконтроля по теме:
1. Отличие быстрых и медленных мышечных волокон.
2. Что такое моторная единица. Чем они могут различаться по строению.
3. Почему перистые мышцы имеют большую силу сокращений.
4. Этапы сближения пластинок в саркомере при сокращении мышцы.
Тема 4.2.Биомеханика локомоций человека
Основные понятия и термины по теме:
локомоции, анализаторы,
двигательный анализатор, соматорецепторы, соматостезия, рефлекс,
тренировка, потенциал действия, рецепторный потенциал, генераторный
потенциал, кортикальный контроль, функциональная система.
План изучения темы (перечень вопросов, обязательных к изучению):
1. Основные локомоции человека. Их формирование, регуляция и
реализация.
2. Особенности развития двигательной активности и координации движений.
3. Нервная регуляция двигательных реакций.
4.Возрастная биомеханика
5.Энергетика движений.
Краткое изложение теоретических вопросов:
1. Основные локомоции человека. Их формирование, регуляция и
реализация.
Локомоции - совокупность согласованных движений, вызывающих
активное перемещение в пространстве, которое обеспечивает активное
взаимодействие с разными условиями среды ( ходьба, бег, прыжки, плавание
и др.). Они обеспечиваются сокращениями скелетных мышц, когда
достигаются определенные механические, анатомические, функциональные
позиции частей тела (сгибание, разгибание, ориентировка, защита, вращение
и др.). Движения бывают простыми и сложными, к наиболее сложным
относится трудовая деятельность. У человека они контролируются ЦНС,
периферические нервы и др. и ОДА – исполнитель движений. Состояние,
при котором все мышцы сустава равномерно расслаблены и не вызывают
движений, называется физиологическим покоем, а положение сустава –
средним физиологическим положением. Но мышца – это не только
исполнительный двигательный аппарат, но и своеобразный орган чувств.
Поэтому циклическая система связей обеспечивает управление движениями
и их координацию. Ведущую роль играет кора больших полушарий, где
двигательная и чувствительная зоны образуют единую систему, а каждой
мышечной группе соответствует определенный участок этих зон. Большую
роль в организации локомоций играют анализаторы. Двигательный
анализатор обеспечивает динамику и взаимосвязь мышечных сокращений,
участвует в пространственно-временной организации двигательного акта. С
ним взаимодействует анализатор равновесия (вестибулярный), зрительный и
слуховой анализаторы. Соматорецепторы: А- экстерорецепторы( сигналы от
окружающей среды), Б - проприорецепторы (контроль ОДА), Ввисцерорецепторы (интерорецепторы - регуляторы внутренних органов и
рефлексы).
2. Особенности развития двигательной активности и координации движений.
У новорожденных двигательная активность и координация движений
ограничены безусловными рефлексами. Хорошо выражен плавательный
рефлекс. После 40 дня им на смену формируются двигательные навыки до 25 лет как за счет развития ОДА и ЦНС, так и за счет тренировок.
Формирование
координационных
механизмов
заканчивается
к
подростковому возрасту. К 14-16 годам появляются зоны окостенения в
эпифизарных хрящах и межпозвоночных дисках. К 16-18 г. замедляется рост.
Чрезмерные физические нагрузки ускоряют процесс окостенения, что может
отрицательно сказаться на росте и развитии. Физические нагрузки в 7-10-15
лет могут привести к деформациям суставов и позвоночника. Мотонейроны
спинного мозга могут обеспечить только простые - рефлекторные движения.
ЦНС получает информацию от рецепторов, которые делят на 5 групп:
зрительные, механо- , термо- , хемо- , ноцицептивные рецепторы. Первичная
реакция рецептора на раздражение состоит в генерации рецепторного
потенциала, который возникает в результате деполяризации мембраны. В
фоторецепторах глаза вместо деполяризации наступает гиперполяризация.
Нервные импульсы возникают в результате возбуждающего действия
рецепторного потенциала. Интенсивность раздражения кодируется
амплитудой рецепторного потенциала, величина которого пропорциональна
степной функции силы раздражителя: R=K IA, где R- величина сенсорного
разряда, I – сила раздражения, К и А – константы. По мере длительного
действия раздражителя реакция снижается в результате адаптации:
уменьшается рецепторный потенциал, частота разряда в чувствительных
нервах падает. Быстро адаптирующиеся рецепторы - фазные, а медленно
адаптирующиеся – тонические. Для движения особо важны виды
чувствительности, сигнализирующие о состоянии тела (соматостезия).К
соматосенсорным относятся кожные рецепторы (на прикосновение,
давление, температуру и боль) и проприорецепторы, воспринимающие
движения в суставах и мышцах.
3. Нервная регуляция двигательных реакций.
При раздражении рецептора возникает ответная реакция - рефлекс –
простейшая реакция нервной системы, возникающая в результате
последовательного возбуждения чувствительных, нервных и двигательных
структур. Рефлексы осуществляются на многих уровнях нервной системы.
Рефлексы спинного мозга контролируют длину мышц (рефлексы
растяжения), уход от вредных воздействий (сгибательные рефлексы) и
движения (перекрестные разгибательные рефлексы). Рефлексы поддержания
позы и зрительные замыкаются на уровне ствола мозга. Сложные движения
требуют участия центральных областей головного мозга, они регулируют
активность мотонейронов спинного мозга. Кора головного мозга- высший
центр
регуляции
движений,
регулирует
работу
пирамидной,
экстрапирамидной систем, базальных ганглий и мозжечка. Комплекс
«двигательная кора – пирамидная система» отвечает за тонкие произвольные
движения. Грубые непроизвольные движения осуществляются блоком
«двигательная кора - экстрапирамидная система». Базальные ганглии и
мозжечок участвуют в координации движений: базальные ганглии
координируют медленные (червеобразные) движения, а мозжечок быстрые
(баллистические). Кора больших полушарий управляет всеми двигательными
актами целостного организма. Необходимым условием кортикального
контроля движений является поступление в кору афферентных импульсов от
всех рецепторов тела о ходе выполняемого движения (направления, силы,
амплитуды и др.) и его результатах. К двигательным областям коры
относятся первичная (сокращение отдельных мышц) и вторичная моторная
(локализованные двигательные реакции головы, шеи, туловища,
конечностей) и премоторная кора (движения рта, языка при артикуляции,
глаз головы, тонкие движения рук и пальцев), каждый участок относится к
определенным движениям. Функция пирамидной системы – осуществление
тонких движений (продевание нитки в иголку, бег с препятствиями,
акробатика и др.), поддержание мышечного тонуса. Таким движениям
предшествует возбуждение в премоторной и вторичной двигательной коры,
при этом сначала формируется программа движения, которой соответствует
комплекс возбуждений. Для многих движений (локомоций и потреблении
пищи) участие пирамидной системы необязательно. Двигательные ядра
ствола мозга участвуют в поддержания вертикального положения тела. На
них переключаются экстрапирамидные волокна нейронов коры, базальных
ганглиев и мозжечка. Мозжечок участвует в координации движений и
распределении их во времени, играет важную роль как сравнивающее
устройство. В нем хранится информация о природе и ожидаемых результатах
движения. Если двигательный акт совершается неправильно, то от мозжечка
поступает информация для коррекции. Поскольку коррекция по ходу
быстрых движений невозможна ( построение корректирующего движения
длительней самого движения), то такие движения запрограммированы
заранее.
Мозжечок
также
координирует
движения,
требующие
последовательного сокращения многих мышц в ответ на афферентные
импульсы от рецепторов, через влияние на красное ядро и ретикулярную
формация мозгового ствола, которые регулируют мышечный тонус.
Характерной особенностью двигательных реакций, управляемых корой,
является то, что они вырабатываются в результате жизненного опыта, в
процессе тренировок. Тренировка – многократное повторение определенных
движений, приводит к их автоматизации, лишние движения устраняются.
Механизм управления двигательными действиями человека был обоснован в
первой трети прошлого века Н.Ф. Бернштейном, затем П.К Анохиным в
теории функциональных систем. Механизм управления состоит из 3 стадий
формирования движения: 1 стадия – формируется общее представление о
движении при участии определенных мышц, человек выполняет движения
напряженно с малой скоростью; 2 стадия – движение еще не
автоматизировано, но возникает более четкая координация, уменьшается
напряженность; 3 стадия – используются реактивные силы, силы инерции,
движения более экономичны и автоматизированы. Соответственно этим
стадиям в теории физического воспитания выделяют 3 этапа: 1- начальное
разучивание движения, 2 - более детальное разучивание движений. 3дальнейшее совершенствование двигательного навыка. При этом необходимо
учитывать адаптацию к физическим нагрузкам, как реакцию целостного
организма.
5.Возрастная биомеханика.
У новорожденных двигательный аппарат имеет определенную степень
зрелости для совершения простейших движений. В первые недели жизни
появляются условные рефлексы, которые отличаются непрочностью,
слабостью и обретают некоторое постоянство в 3-4 месяцам. К 2 месяцам
нарастает мышечный тонус затылочных мышц, поэтому он поднимает
голову. К 3 месяцам развивается движение рук в направлении к предмету, к
5-6 месяцам он точно с любой стороны протягивает руку к предмету. В 4
месяца развиваются движения перевертывания со спины на бок, а в 5 на
живот и с живота на спину. В это время он начинает ползать, поднимает
голову и верхнюю часть тела. В 6-7 месяцев начинает вставать на
четвереньки, пытается сидеть и вставать с опорой. В период подготовки к
ходьбе анатомо-физиологические особенности затрудняют овладение
равновесием: слаба мышечная система ног, ножки короткие и полусогнуты,
поэтому ребенку надо помогать. К концу 1 г. ребенок начинает ходить,
равновесие сохраняется за счет балансировки руками. К 3-4 г. ребенок
свободно сохраняет равновесие. В 4-5 лет ему доступны
сложные,
разнообразные и точные движения. К 6-7 г. возрастает сила мышц
разгибателей, детям необходимо много двигаться. К 5-8 г возрастает
точность и меткость движений. От 8 до 12 лет совершенствуются
двигательные навыки, но при школьной гиподинамии необходимо уделять
время двигательной активности.
6.Энергетика движений.
Организм получает энергию из окружающей среды в виде потенциальной
энергии химических связей молекул жиров, углеводов и белков. В
механическую работу превращается 20% этой энергии, остальная уходит в
тепло. Мышечная работа изменяет интенсивность обмена веществ. При
кратковременных интенсивных нагрузках метаболизм спортсменов
возрастает в 20 раз по сравнению с основным обменом, а при
продолжительной работе – в 10 раз. Метаболизм снижается с возрастом,
начиная с полового созревания. Затраты энергии растут с увеличением
скорости в степенной зависимости. Они увеличиваются при малых
скоростях во 2-й степени, а при приближении к максимуму в 3-й и 4-й
степени.
Задания для самостоятельного выполнения:
1. Функциональный анализ ходьбы.
2. Биомеханика бега.
Форма контроля самостоятельной работы:
- презентация
- проверка рабочей тетради
- тест
Вопросы для самоконтроля по теме:
1. Что такое двигательный анализатор
2. Назовите группы рецепторов
3. Откуда берется энергия движений
4. Какие этапы в освоении нового движения проходит человек
Тема 4.3.Биомеханический контроль
Основные понятия и термины по теме: фронтальная, сагиттальная и
горизонтальная плоскости, приведение (аддукция), отведение (абдукция),
вращение (ротация), супинация, пронация, ротация.
План изучения темы (перечень вопросов, обязательных к изучению):
1.Измерение частей тела. Анализ движений.
2. Тесты в биомеханике.
Краткое изложение теоретических вопросов:
1.Измерение частей тела. Анализ движений.
Цель биомеханических исследований – разработка техники движений в
определенном виде спорта, при лечении травм, создание спортивного
инвентаря и техники. Часто необходимо проводить измерения. Определение
длины нижней конечности проводят в положении лежа, конечности
симметричны. Верхняя точка – передне - верхняя ость таза или верхушка
большого вертела. Нижней точкой может быть нижний конец внутренней
или наружной лодыжек. Верхней точкой при измерении длины верхней
конечности служит конец акромиального отростка лопатки или большой
бугорок плечевой кости. Нижней – шиловидный отросток лучевой кости или
до конца 3 пальца. Для измерения длины плеча или предплечья
промежуточной точкой обычно служит верхушка локтевого отростка или
головка лучевой кости. Необходимо различать анатомическое (истинное) и
функциональное укорочение или удлинение конечности. Анатомическая
длина складывается из суммы длины бедра и голени, плеча и предплечья. В
первом случае измерение производится от верхушки большого вертела до
щели коленного сустава и от последней до наружной (внутренней) лодыжки;
во втором случае - от большого бугорка плечевой кости до головки лучевой
кости и от последней до шиловидного отростка лучевой (локтевой кости).
Полученные данные сравнивают с нормой. Разница составляет величину
анатомического укорочения. Функциональное укорочение или удлинение
конечности такими же измерениями, но верхней точкой для нижней
конечности служит передне - верхняя подвздошная ость, а для верхней
конечности – конец акромиального отростка лопатки. Для определения
объема движения в суставах сравнивают движения здоровой и больной
сторон. В сагиттальной плоскости - это сгибание и разгибание. Движения во
фронтальной плоскости называют приведением (аддукция) и отведением
(абдукция). В лучезапястном суставе – лучевое приведение и локтевое
отведение. Движения вокруг продольной оси – ротация. В отношении
предплечья наружная ротация – супинация, а внутренняя ротация пронация,
Отклонение стопы в подтаранном суставе внутрь – супинация, а кнаружипронация. Измерение амплитуды проводят с помощью угломера.
Ограничение пассивной подвижности – контрактура, полная неподвижность
в суставе – анкилоз.
2. Тесты в биомеханике.
Измерения продольного свода стопы Ф.Р. Богданов предложил
измерять путем построения треугольника соединением головки первой
плюсневой кости, пяточного бугра и вершины внутренней лодыжки.
Измеряют высоту треугольника и углы. При плоской стопе высота свода
меньше 55 м, угол у лодыжки 104-120, у пяточной кости 55-50о. Используют
также рентгенологическое исследование. Ангулография – запись углов
сгибания и разгибания в суставах конечностей В.С. Гурфинкель и Ф.Я.
Сысин). По ним можно определить походку до и после лечения. Ихнография
– метод записи следов от обеих ног при ходьбе с учетом длины шага каждой
ноги, разворота стопы, ширины и угла шага. Модификация этого метода
подография,
когда
регистрируются
электрические сигналы
при
соприкосновении стопы с полом. Электромиография – регистрациия участия
различных мышц в движении. Тренировка усиливает электрическую
активность. Измерение гибкости позвоночника (амплитуды движений)
определяется по способности человека наклоняться вперед, стоя на
простейшем устройстве: перемещающаяся планка с делениями. Гониометрия
– метод регистрации относительных движений частей тела. Для измерения
кривизны и движений позвоночника, углов наклона таза, амплитуды
конечностей наибольшее применение получил циркуль-гониометр В.А.
Гамбурцева. Циклографияспособ регистрации движений человека с
помощью костюма из черной неблестящей ткани, на суставах закрепляют
лампочки, свет от которых регистрируется на фотопленке. Стабилограмма Измеряетс устойчивость, т.е способность человеа удеживать ветикальное
положение. Проба Ромберга используется при изучении координации с
помощью вестибулярного аппарата и проприорецепции. Тест Яроцкого –
определяет
порог
чувствительности
вестибулярного
анализатора.
Треморография – запись тремора с посощью сейсмодатчика на пальце
(тремор- гипокинез, проявляющийся непроизвольными, стереотипными,
колебаниями всего тела и его частей). Актография исследование
двигательной активности человека во время сна с помощью
электрокимографа из велосипедной камеры. Определение толщины кожножировых складок по Л.С.Трофименко с помощью калипера Беста с
постоянным давлением 10 г/мм2. Сопоставление толщины складок с массой
тела говорит о преимущественном развитии жировой или костно-мышечной
системы. Динамометрия – изучение ОДА с помощью динамометров
Коллена, тонусомеров, ЭМГ.
Задания для самостоятельного выполнения:
1. Провести пробу Ромберга на себе
2. Сделать тест Яроцкого
3. Определить плоскостопие по отпечатку стоп
4. Определить продольный свод стопы по Богданову.
Форма контроля самостоятельной работы:
- устный ответ
- проверка рабочих тетрадей
- доклад
Вопросы для самоконтроля по теме:
1. Как проводят измерения длины конечностей, окружности груди, головы
Голени, бедра.
2. Расскажите о тестах на состояние ОДА.
Основные источники литературы
Для преподавателей
1.Дубровский В.И.Федорова В.Н. Биомеханика: учеб. для студентов сред. и
высш. учеб. заведений по физической культуре.-М.:Изд-во ВЛАДОСПРЕСС.2008.-669 с.
2.Попов Г.И. Биомеханика: учеб. для студ. высш. учеб.заведений. .-М.:
Издательский центр «Академия»,2009- 256 с.
3. Сапин М.Р., Сивоглазов В.И. Анатомия и физиология человека (с
возрастными
особенностями детского организма). Учебное пособие для
студ .сред. учеб. заведений .-М.: Издательский центр «Академия»,1998- 448
с.
Для студентов
1.Дубровский В.И.Федорова В.Н. Биомеханика: учеб. для студентов сред. и
высш. учеб. заведений по физической культуре.-М.:Изд-во ВЛАДОСПРЕСС.2008.-669 с.
2.Попов Г.И. Биомеханика: учеб. для студ. высш. учеб.заведений. .-М.:
Издательский центр «Академия»,2009- 256 с.
Дополнительные источники
Для преподавателей
1. Безруких М.М.,Сонькин В.Д.,Фарбер Д.А. Возрастная физиология
(Физиология развития ребенка): Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб.
заведений.М.:Издательский центр «Академия»,2003.-416 с.
2. Резанова Е.А.,Антонова И.П.,Резанов А.А. Биология человека.(Анатомия,
физиологитя и гигиена человека с основами медицинской экологии) в
таблицах и схемах. Изд. «Школа»,М.:1998 .207 с.
ГЛОССАРИЙ
Анизотропия – различие свойств материала по разным направлениям.
Биомеханика – наука, изучающая механические свойства живых тканей,
органов и организма, а также происходящие в них механические явления.
Блок – диск с желобом для веревки или каната
Вес тела – сила, с которой тело действует на неподвижную относительно
него горизонтальную опору или подвес.
Движение неравномерное – движение, при котором величина мгновенной
скорости изменяется
Движение равномерное – движение, при котором величина скорости
одинакова для всех точек траектории.
Деформация – изменение взаимного расположения частиц тела, приводящее
к изменению его формы и размеров.
Динамика – раздел механики, в котором изучается движение тела в учетом
его взаимодействия с другими телами.
Длительность движения - разность моментов времени окончания и начала
движения.
Импульс тела –векторная величина, равная произведению массы тела на его
скорость.
Кинематика – раздел механики, в котором изучается механической
движение, но не рассматриваются причины его возникновения
Коэффициент полезного действия – отношение полезной мощности к
затраченной, показывающий эффективность использования энергии.
Линии Лангера – линии естественного натяжения кожи.
Масса – количественная мера инертности тела.
Механическая работа – скалярная величина, равная произведению силы,
действующей на тело, на пройденный путь и косинус угла между
направлением силы и направлением движения.
Момент импульса тела (относительно некоторой оси) – величина, равная
произведению момента инерции на угловую скорость вращения.
Момент инерции материальной точки (относительно некоторой оси) –
величина, равная произведению массы точки на квадрат ее расстояния до
оси вращения.
Момент силы (относительно некоторой оси) – произведение величины
силы на ее плечо. Характеризует ее вращательное действие.
Мощность – скалярная величина, равная
ко времени, за которое она совершена.
отношению энергии (работы)
Невесомость – состояние тела, при котором его вес равен нулю
Перемещение – наименьшее расстояние между началом и концом движения
Плечо силы – кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия
силы.
Положение равновесия – положение, при котором тело может оставаться в
покое сколь угодно долго.
Положение равновесия неустойчивое – положение равновесия, при
небольших отклонениях от которого возникает сила, стремящаяся увеличить
это отклонение.
Положение равновесия устойчивое – положение равновесия, при
небольших отклонениях от которого возникает сила, стремящаяся возвратит
тело в исходное положение.
Ритм движений – мера соотношения частей движений. Определяется по
соотношению длительностей к числу движений (период).
Рычаг – твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси,
представляющей опору.
Сила – векторная величина, характеризующая воздействие тела на другие
тела.
Сила в неинерциальной системе отсчета – сила, которой обладает масса
тела при собственном ускоренном движении и ускорении системы отсчета.
Сила инерции – векторная величина, равная произведению массы тела на
ускорение системы отсчета.
Система отсчета – тело, относительно которого указывают положение
других тел и часы для измерения времени
Система отсчета инерциальная – система отсчета, относительно которой
тело движется прямолинейно и равномерно или сохраняет состояние покоя,
если на него не действуют другие тела.
Система отсчета неинерциальная – ускоренно движущаяся система
отсчета.
Система замкнутая – система, в которой тела взаимодействуют только
между собой и не взаимодействуют с другими телами.
Скорость мгновенная – предел, к которому стремится отношение
перемещения тела в окрестности данной точки ко времени при
неограниченном уменьшении интервала.
Скорость средняя – отношение пройденного телом пути ко времени.
Стабилография – метод оценки способности спортсмена удерживать
проекцию центра масс в пределах границ площади опоры.
Статика – часть динамики, которая изучает условия равновесия тела.
Статокинезиграмма – траектория, которую описывает в горизонтальной
плоскости центр масс стоящего человека.
Темп движений – мера повторяемости движений (частота) – количество
движений в единицу времени.
Траектория – линия, описывающее движение тела в систем е координат.
Удар – столкновение между двумя телами, при котором силы
взаимодействия столь велики, что можно пренебречь всеми остальными
силами.
Удар абсолютно неупругий – удар, после которого столкнувшиеся тела
движутся как единое целое.
Удар абсолютно упругий – удар, при котором не происходит необратимых
преобразований кинетической энергии во внутреннюю энергию тел.
Ускорение линейное – векторная величина, равная пределу отношения
изменения скорости ко интервалу времени, при его стремлении к нулю.
Ускорение тангенциальное – ускорение изменения скорости движения по
кривой, направленное по касательной к локальному радиусу.
Ускорение угловое – отношение изменения угловой скорости к интервалу
времени, при его стремлении к нулю.
Ускорение центростремительное – ускорение, направленное по радиусу к
центру при равномерном движении по окружности.
Центр масс (центр инерции) – точка, характеризующая распределение масс
в механической системе. При движении системы центр масс движется как
материальная точка, в которой сосредоточена масса всей системы и на
которую действуют внешние силы, приложенные к ней.
Центр тяжести тела – точка, относительно которой сумма моментов сил
тяжести, действующих на все частицы тела, равна нулю.
Энергия механическая полная – сумма потенциальной и кинетической
энергии тела или системы тел.
Энергия потенциальная – скалярная величина, равная работе, совершаемой
консервативной силой при переходе тела из одного положения в другое в
выбранной системе координат.
Энергия кинетическая – энергия движущегося тела.
КОНТРОЛЬ
И
ДИСЦИПЛИНЫ
ОЦЕНКА
РЕЗУЛЬТАТОВ
ОСВОЕНИЯ
Текущий контроль
Перечень точек
Охват тем
рубежного контроля
Форма контроля
(указать
номера тем,
подлежащих
контролю)
Бортникова Галина Ивановна
преподаватель «Основ биомеханики»/МДК
Ногинский филиал государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
Московского государственного областного университета
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ПО «Основам биомеханики»/МДК
основной профессиональной образовательной программы
по специальности
050720 «Физическая культура»
для студентов очной формы обучения