Лекция №1

Тема: Предмет и методы биомеханики
1. Биомеханика как наука о движении человека. 2. Задачи и содержание биомеханики. 3. развитие биомеханики, основные направления. 4. Биомеханические методы изучения движения.
1. Биомеханика как наука о движениях человека
Движения живых существ представляют собой очень сложное явление. В них сочетается самое простое движение - механическое, которое изучает механика, с более высокими формами движения, которое изучает химия, био - логия, психология и другие науки. Поэтому биомеханика, разрабатывая соб - ственные пути изучения механического движения живых существ, использу - ет также данные ряда смежных наук. В восходящем развитии материи формировались все более высокие уровни ее организации (структурные уровни материи). Для них характерны соответственно все более сложные формы движения, все более сложные свойства и закономерности. Ф.Энгельс различал более простые формы движения материи - механи - ческую, физическую и химическую, которые проявляются как в неживой, так и живой природе, и более сложные, высшие формы движения - биологиче - скую (все живое) и социальную (общественные отношения, мышление). Каждая более сложная форма движения включает в себя и более про - стые. Простейшая форма - механическая - существует везде. Но чем выше форма движения, тем менее существенна механическая формула; движение качественно характеризуется соответственно более высокой формой. Таким образом,
каждая высшая форма обладает качественной спе

-

цификой и «несводима» к низшим, в то же время она неразрывно связана

с ними.
Движения человека, которые изучаются в биомеханике, включают в себя механическое движение. Именно оно составляет непосредственную за - дачу двигательной деятельности человека. Но механическое движение осу - ществляется при определяющем участии более высоких форм движения. Поэтому биологическая механика (биомеханика) шире и намного сложнее, чем механика, она качественно отличается от физики неживых тел. Механи - ческое движение живого получает объяснение лишь при изучении специфики живого, опираясь, разумеется, на основы механики - на классическую меха - нику (абсолютно твердого тела). Предмет биомеханики определяется тем, что именно, какие явления ( о б ъ е к т п о з н а н и я) и какую сторону действительности (о б л а с т ь и з у ч е н и ) она изучает.
Как наука биомеханика охватывает изучение механического дви

-

жения в животных организмах, в том числе и движения человека.

Однако двигательные действия человека существенно отличаются от движений животных. В первую очередь речь идет об осознании целенаправ - ленности движений человека, о понимании их смысла, возможности контро - лировать их и планомерно совершенствовать. Поэтому сходство между дви - жениями животных и человека завершается на чисто биологическом уровне. Поскольку овладение движениями, совершенствование движений определяют собой их эффективность, их соответствие цели двигательной деятельности, учебный курс биомеханики направлен на изучение движений только человека. Здесь необходимо учитывать и то, что в движениях обу - словлено высшими уровнями сознательного управлениями ими. Именно эти особенности не имеют объяснения ни с позиций механики, ни с позиций биологии. «В норме человек производит не просто движения, а всегда действия» (Н.А.Берштейн). Д е й с т в и я ч е л о в е к а всегда имеют цель, определен - ный смысл. Из действий человека складывается его д в и г а т е л ь н а я д е я т е л ь н о с т ь. При помощи этой деятельности в процессе физического воспитания человек преобразует свою собственную природу, физически со - вершенствуется. Человек преобразует мир, используя возможности научно- технического прогресса в конечном счете посредством двигательной дея - тельности. Двигательные действия, составляющие двигательную деятельность, осуществляются посредством целенаправленных а к т и в н ы х д в и ж е н и й. Движения многими частями тела, органами опоры и движения объедине - ны в управляемые системы движений, целостные д в и г а т е л ь н ы е а к т ы (например, гимнастические упражнения, способы передвижения на лы - жах, приемы игры в баскетбол и т.д.). В системы движений входит также и активное сохранение положений отдельных частей тела (в суставах), а ино - гда и всего тела.
В учебном курсе биомеханики объект познания составляют имен

-

но активные движения (а также сохранение положений тела). Они изу

-

чают как системы движений в действиях человека.

2.

Задачи и содержание биомеханики
В биомеханике область изучения определяется ее задачами. О б щ а я з а д а ч а охватывает всю область знания в целом; ч а с т н ы е з а д а ч и важны при изучении конкретных вопросов движений.
Общая задача изучения движений состоит в оценке эффективно

-

сти приложения сил для более совершенного достижения поставленной

цели.
Изучение движений в конечном счете имеет п е д а г о г и ч е с к у ю н а п р а в л е н н о с т ь. Движения изучают для того, чтобы определить, от чего зависит их эффективность, в каких условиях и как лучше их исполнять. Для этого необходимо уметь оценивать их совершенство, их соответствие поставленной цели. По выражению А.А. Ухтомского, биомеханика исследу - 2
ет, «каким образом полученная механическая энергия движения и напряже - ния может приобрести рабочее применение». Путь оценки эффективности в принципе прост. Нужно определить силы, которые в данном движении совершают п о л е з н у ю р а б о т у. Да - лее нужно установить, какие силы производят в р е д н у ю р а б о т у, сни - жающую эффект приложения полезных сил. Выясняют, каковы источники сил, где и когда они приложены, каков результат их действия. Сопоставляя полученные данные, можно узнать, насколько целесообразно исполняется изучаемое движение, в чем состоят его недостатки, как лучше их устранить и, главное, как совершенствовать движение. При всей кажущейся простоте этой задачи нужно подчеркнуть, что ре - шение ее требует не только совершенных методов регистрации движений, но и ф у н д о м е н т а л ь н о й т е о р и и, позволяющей объяснять получа - емые данные. Оценка эффективности требует глубокого раскрытия законов движе - ния в живых системах. Эти законы даже с точки зрения механики отличают - ся от законов Ньютона, по крайней мере, как живой организм отличается от абстрактной модели - абсолютно твердого тела. В этом отношении задачи изучения влияют не только на выбор области изучения, но также на метод и теорию, объясняющую закономерности данной науки.
Частные задачи биомеханики состоят в изучении и объяснении: а)

самих движений человека в той или иной области его двигательной дея -

тельности; б) движений физических объектов, перемещаемых челове

-

ком; в) результатов решения двигательной задачи; г) условий, в кото

-

рых они осуществляются; д) развития движений человека (с учетом на

-

званных сторон) в результате обучения и тренировки.
Для достижения цели двигательного действия можно найти несколько способов его исполнения. Изучая кинематику, пространственную форму и характер движений, дают их внешнее о п и с а н и е. Изучая динамику дви - жений, влияние сил на их изменение, дают о б ъ я с н е н и е, находят при - чины особенностей движений. Таким же образом описывают и объясняют движения снарядов (мяч, шайба, ядро и т.п.), зависящие от движений чело - века. Для оценки качества движений нужно изучить результат решения дви - гательной задачи. Он может больше ил меньше соответствовать поставлен - ным требованиям. При этом нужно не только установить само качество ре - зультата, но и дать объяснение причинам той или иной эффективности. Необходимо сопоставлять разные варианты, сложившиеся в практике, раз - ную степень совершенства, зависящую от квалификации исполнителя, и многое другое. Далее необходимо рассмотреть влияние условий, в которых исполня - ется движение, на способ действия и на результат решения двигательной за - дачи. Так как движения часто исполняются в переменных условиях, харак - тер изменения последних также влияют на движения. Условия двигательной деятельности обычно разделяют на внешние и внутренние. К внешним 3
условиям относят все факторы в н е ш н е г о о к р у ж е н и я 1 , в котором движется человек. К внутренним условиям деятельности относят более об - щие, зависящие от длительно действующих факторов (уровень подготовлен - ности, возрастные особенности и др.), и более частные проявления при - способления человека к конкретным условиям определенного действия (сте - пень вырабатывания, утомление и др.). С одной стороны, здесь выявляют, какие условия благоприятствуют эффективности, иначе говоря, какие нужно создавать условия. С другой стороны, определяют, как лучше приспосо - биться к заданным условиям, как их использовать. Наконец, как правило, для понимания изучаемого состояния или про - цесса надо узнать его историю, рассмотреть явление в его р а з в и т и и. Тут нужно не только раскрыть уже пройденные этапы, но и предвидеть, прогно - зировать будущее. Без предвидения невозможно обоснованное планирова - ние деятельности, а именно оно (в самом общем плане) отличает человека от животных. Поэтому на основе описания и объяснения движений необхо - димо указать путь их совершенствования: не только изучать действитель - ность, но и преобразовать ее. Постановка общей задачи, раскрытие ее через ряд частных задач по - вышает целенаправленность изучения движений, выдвигает конкретные требования к разработке теории и метода биомеханики, дает возможность рационализации физических упражнений и путей овладения ими.
3.

Развитие биомеханики как науки, основные направления
Возникновению и развитию биомеханики как самостоятельной науки способствовали определенные предпосылки - накопление знаний в области физических и биологических наук, а также развитие техники, позволяющее разработать ряд сложных методик изучения движений.
3.1

Начальное развитие биомеханики
На возникновение биомеханики как науки о движениях животных ока - зало решающе влияние развитие механики. Классическая механика описы - вает движения материальной точки и абстрактного абсолютно твердого тела. На ее основе разрабатывалось и учение о движении абсолютно упругого тела. Необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что здесь имеет место условность. Таких объектов в природе не существует - все это аб - стракция (отвлечение от конкретных частностей), необходимые для установ - ления основных законов. Последние позволяют при их правильном при - менении познать особенности движений реальных, конкретных физических объектов. Так, для биомеханики оказались применимыми развивающиеся как самостоятельные науки: гидро- и аэромеханика, сопротивление материа - лов, реология (теория упругости, пластичности и ползучести), теория меха - низмов и машин и др. Они в большей или меньшей степени используются в биомеханике, помогают изучать движения человека. 4
Математические науки, сыгравшие свою роль в развитии механики, в даль - нейшем разрослись в самостоятельные области знаний. Их применение в биомеханике все более расширяется. Речь идет не только о математической обработке собранного материала, но и о самостоятельных математических методах исследования (в частности, о моделировании). Д.Борелли, врач, математик, физик (ученик Г.Галилея), своей книгой «О движении животных» (1679) положил начало развитию биомеханики как отрасли науки. Из биологических наук в биомеханике более других исполь - зовались данные анатомии и выделившейся из нее (в XVI  XVII вв.) физио - логии. Большое влияние на развитие биомеханики затем оказали функцио - нальная анатомия и особенно идеи нервизма в современной физиологии. Так складывались основные направления в развитии биомеханики  механиче - ское, функционально-анатомическое и физиологическое, существующие и поныне. Основные направления в биомеханике возникали одно за другим и да - лее продолжали развиваться одновременно. В механическом направлении заложены основные идеи об изменении движений под действием приложен - ных сил и о применимости законов механики к движениям животных; в функционально-анатомическом  идея о единстве и взаимообусловленности формы и функции в живом организме; в физиологическом  идея системно - сти функций организма, идея энергетического обеспечения и идея нервизма (раскрывающая значение процессов управления движениями в двигательной деятельности). Механическое направление , начатое работами Д.Борелли, развитое В.Брауне и О.Фишером, представлено сейчас в работах многих зару- бежных школ (ГДР, ЧССР, США и др.). Механический подход к изучению движений человека позволяет определить количественную меру двигатель - ных процессов. Это одна из основ биомеханики (измерение показателей дви - гательной функции). На этой основе совершенно необходимо объяснение фи - зической сущности механических явлений. С точки зрения физики раскрыва - ется строение опорно-двигательного аппарата и движений человека. В этом отношении механическое направление никогда не потеряет своего значения. Однако чисто механический подход создает почву для неоправдан - ных упрощений, что часто приводит к неправильным выводам. Кроме того, появляется опасность недооценки качественной специфики физики живого. Возникают механические тенденции объяснения качественно более высоких явлений простейшими механическими факторами. Не случайно это направление не породило ни одной глубокой теории, объясняющей двигательную деятельность человека. Неправильная трактовка биомеханики как «прикладной к живому» механики (т.е. технической науки) исключает возможность познать действительную сложность движений чело - века и целенаправленно совершенствовать ее. Применение законов механики материальной точки и абсолютно твердого тела к изучению движений чело - века, конечно, необходимо, но недостаточно. Так же как тело человека отли - чается от абстрактных тел, так и законы его движений требуют учета этих от - 5
личий, но не в общих декларативных оговорках, а в конкретном анализе. Для биомеханического анализа особый особый интерес представляют внутрен - ние (в том числе мышечные) силы, в то время как в задачах классической ме - ханики их стараются исключать. В двигательном аппарате существенно важ - но определить источник, роль и эффективность каждой силы, в то время как в механике один из основных методов  замена системы сил эквивалентными векторами сил и моментов сил. Наряду с механическими причинами особой сложности движений жи - вотных существуют немеханические причины, которые играют еще большую роль. Именно эти причины представители данного направления обычно не рассматривают. Функционально-анатомическое направление, со- зданное в нашей стране трудами П.Ф.Лесгафта, М.Ф. Иваницкого, характе - ризуется преимущественно описательным анализом движений в суставах, определением участия мышц при сохранении положений тела в его движени - ях. В анатомических исследованиях движений обычно использовались каче - ственные характеристики при относительно малом применении количествен - ной меры. Однако сейчас все шире применяется регистрация электрической активности мышц (электромиография), дающая ценный вклад в определение времени и степени участия мышц в движениях, согласования активности отдельных и групп мышц. Новое направление в функциональной анатомии  спортивная морфо - логия (А.А.Гладышева)  способствует познанию специфических особенно - стей опорно-двигательного аппарата человека в связи с занятиями спортом. Конкретизация знаний о морфологических основах биомеханических систем обеспечивает более глубокое и правильное определение физической и техни - ческой подготовки в физическом воспитании, в частности в спорте. Физиологическое направление в отечественной школе биомеханики складывалось под влиянием идей нервизма и в результате раз - витие учения о высшей нервной деятельности и нейрофизиологии. Призна - ние рефлекторной природы двигательных действий и механизмов нервной регуляции при взаимодействии организма и среды в работах И.М.Сеченова, И.П.Павлова, А.А.Ухтомского, П.К.Анохина, Н.А.Бернштейна и других уче - ных составляет физиологическую основу изучения движений человека. Обширные исследования регуляторных механизмов центральной нерв - ной системы и нервно-мышечного аппарата дают представление об исключи - тельной сложности и совершенстве процессов управления движениями. Од - нако, несмотря на разностороннее изучение этой проблемы, единая, относи - тельно завершенная физиологическая теория управления движениями еще не сформирована. Исследования Н.А.Бернштейна дали ему возможность установить чрез - вычайно важный принцип управления движениями, общепризнанный в на - стоящее время. Управление движениями осуществляется посредством при - способления импульсов (команд) нервной системы по ходу движения к кон - кретным условиям его выполнения и устранения отклонений от задачи дви - 6
жений (коррекция). Идеи И.М.Сеченова о рефлекторной природе управления движениями путем использования чувствительных сигналов получили раз - витие в положении Н.А.Бернштейна о кольцевом характере процессов управ - ления. Нейрофизиологические концепции Н.А.Бернштейна стали основой современной теории биомеханики. Системно-структурный подход как методологическая основа в известной мере объединяет механическое, функционально-анатоми - ческое и физиологическое направления в развитии теории биомеханики. Существо этого подхода заключается в изучении явлений как целост - ных сложных объектов (системы). Понятие о системе (целом), в которой мно - жество элементов (ее состав) закономерно объединено взаимными связями, взаимозависимостью (ее структура), стало общепризнанным в современной науке. В биомеханике этот подход проявляется в изучении тела человека и его движений как сложных систем. Идеи о системности внес в изучение двигательной деятельности также Н.А.Бернштейн. Таким образом,
современная отечественная школа биоме -

ханики развивает теорию движений, разрабатывающуюся в ряде направ -

лений и объединенную на основе исследований и теоретических положе

-

ний Н.А.Бернштейна.
Биомеханика физических упражнений  частный раз - дел биомеханики, особенно важный для естественно-научного обоснования физического воспитания. Крупнейший русский анатом П.Ф.Лесгафт, созда - вая теоретическую анатомию, применял ее данные для обоснования разрабо - танной им отечественной системы физического воспитания. В исследованиях П.Ф.Лесгафта были заложены основы предмета “теории телесных движе - ний”. В настоящее время в педагогических институтах и институтах физиче - ской культуры нашей страны эта теория нашла свое отражение в курсе био - механики. Во многих зарубежных странах подобные курсы имеют другое на - звание  “кинезиология”. Чаше всего их содержание ограничено изложением элементарных механических и анатомических данных и не опирается на основательно разработанную теорию движений. Биомеханика как одна из биологических наук нового типа сближается по методам исследования с точными науками. Она развивается как раздел биофизики, возникшей на стыке физических и биологических областей зна - ний. Для изучения физических упражнений необходимо раскрытие их меха - нической и биологической природы, что относится к ведению биомеханики. В этом отношении такие биологические науки, как спортивная морфология, физиология физических упражнений, содействуют пониманию конкретных специфических особенностей формы, строения и функции тела человека. Возможна и необходима двусторонняя связь биомеханики с другими биологическими науками в изучении и обосновании физических упражнений. Вместе с тем методы и законы биомеханики предназначены для совершен - ствования ряда педагогических дисциплин, разрабатывающих конкретные за - дачи физического воспитания. В этом смысле справедливо рассматривать 7
биомеханику как современную область биологического знания с педагогиче - ской направленностью.
4. Биомеханические методы изучения движений
Для изучения движений в биомеханике применяются специфические для нее (биомеханические) методы. В случае необходимости используют ме - тоды и смежных наук: биологических, психологических, педагогических, ма - тематических и др. Биомеханические методы позволяют получать количе - ственные характеристики движений (см. гл.III) и выявлять их взаимную зави - симость. Это обеспечит системный анализ, а также системный синтез движе - ний как основной путь их изучения. Рассматривая сложное двигательное действие как систему движений, необходимо мысленно выделить в этой системе ее основные элементы, уста - новить ее состав. Для этого используют количественные характеристики (см. гл.III), которые позволяют различать движения, отличать одно движение, эле - мент, деталь от других. Чтобы установить состав системы, используют си - стемный анализ, т.е. расчленение системы на составные части. В понятие системы входит ее структура как закон взаимодействия эле - ментов в системе. Изучая изменения количественных характеристик, устанав- ливают этот закон, выявляют, как элементы влияют друг на друга. Для выяв - ления структуры системы используют системный синтез – выявление причин целостности системы. Системный анализ и системный синтез неразрывно связаны друг с другом, они взаимно дополняются в системно-структурном исследовании. Количественные характеристики движений позволяют на уровне выс - шего системного синтеза строить модели системы движений (физические, математические). Используя вычислительную технику, начинают изучать процессы управления в движениях, искать оптимальные варианты действий. Здесь речь идет о принципах и результатах, а не конкретных механизмов, что уже относится к физиологии. Закономерности, устанавливаемые при изучении движений, имеют ста- тистический (вероятностный) характер. Такие законы характерны для живых организмов. Их вероятностный характер обусловлен зависимостью следствий от многих, не определенных полностью причин. Современные комплексные методики включают ряд методов регистра - ции и обработки данных, взаимно дополняющих, а иногда и дублирующих (для проверки) друг друга. Тот или иной метод исследования выбирают, исходя из того, насколько он обеспечивает получение достоверных и доступных данных. Необходимо, чтобы такой метод: а) обеспечивал достаточную точность измерений; б) не искажал движений, т.е. не обременял бы испытуемого; в) был надежным и удобным для применения; г) мог применяться в условиях проведения наблю - дений или эксперимента; д) давал материал в форме, удобной для обработки; 8
е) был совместим с другими необходимыми методами и по всем названным показателям соответствовал задаче исследования. Механические устройства, прежде всего, использовались для определения положения центра тяжести тела человека (Д.Борелли, А.Баз - лер и др.). Затем в XIX в. ряд устройств применялся при изучении ходьбы (В. и Э.Веберы, Ж.Марей и др.). Постепенно механические устройства были вы - теснены более современными светохимическими и электротехническими ме- тодами. Светохимическая регистрация включает простое фото - графирование (одиночные снимки) и методы последовательного фотографи - рования (ряд камер Э.майбриджа, кинография Ж.марея, циклография В.Брау - ке и О.Фишера, Н.А.Бернштейна, стробофотография и др.). Эти методы дают возможность зафиксировать позы в определенные моменты времени и благо - даря этому измерить координаты точек. Зная частоту киносъемки, определя - ют скорости, ускорения, темп, ритм, рассчитывают усилия и многие другие характеристики. Электротехническая аппаратура обладает очень больши- ми возможностями. Она позволяет одновременно регистрировать множество кинематических, динамических и электрофизиологических характеристик. Многоканальная запись ряда характеристик обеспечивает их совмещение во времени  синхронизацию. Все шире используется подключение вычисли - тельных устройств, что обеспечивает одновременную с регистрацией данных и их математическую обработку, телерегистрация характеристик, видеозапись и др. Комплексное применение фотографических и электротехни - ческих методик регистрации с автоматической обработкой данных характери - зует собой современный этап технического оснащения биомеханических ис - следований. Рассмотрим применение различных измерительных устройств при вы - явлении отдельных характеристик. Пространственные характеристики (координаты, траек- тории) можно измерять, а результаты измерения записывать по ходу исполне - ния движения как непрерывно, так т в отдельные моменты времени  дис - кретно. Определение этих характеристик сводится к измерению расстояний (в линейных и угловых единицах отсчета). Измерение расстояний производится как непосредственным путем, так и замерами на уменьшенных (масштабно) изображениях (материалы фото - регистрации). Непосредственные измерения. В спортивной практике из- меряются как размеры мест соревнований (общие размеры и разметка), так и результаты спортивных выступлений (например, высота, длина в прыжках, дальность метаний и др.). Для этого применяют рулетки, измерительные тро - сы, оптические визиры, механические дистанциометры (колесо со счетчи - ком), циркули-измерители и др. Углы наклона на местности измеряют экли - метром (угломером). 9
Результат движений определяют, например, при помощи измерителя прыгучести (В.М.Абалакова), мишеней для попадания футбольным или тен - нисным мячом. Вдоль дорожки расставляют на равных расстояниях ориенти - ры для зрительного или автоматического (фотоэлементы) измерения времени прохождения определенных отрезков (например, для определения скорости лидирования звуковым сигналом). Все перечисленные методы измерения рас - стояний в принципе просты и не требуют подробных пояснений. Углы в суставах измеряют гониометрами разных систем. Наиболее удобна электрогониография  непрерывное измерение суставного угла. При сближении или отдалении двух ветвей гониографии (соединенных на оси су - става) изменяется электрическое сопротивление, а изменение тока фиксиру - ется на ленте (пленке) осциллографа. При использовании системы электрого - ниографов можно получить записи одновременных изменений ряда сустав - ных углов в разных плоскостях (рис.1,а). Фоторегистрация применяется в виде однократных и много - кратных экспозиций. При однократной экспозиции (фото- или кино- аппаратом) получается одиночный фотоснимок (фотография), на котором, например, запечатлены по- ложения, поза человека в данный момент. Если прикрепить к телу (на проек - циях центров суставов, в рабочей точке, в рабочей точке, в других выбранных опознавательных точках) светящиеся лампочки накаливания и держать затвор аппарата открытым в течение всего движения, то на негативе получаются не - прерывные траектории точек (фотограмма, рис.1,б). В затемненном помеще - нии фотограмма будет более ясной. Вместо лампочек можно использовать маленькие зеркала, отражающие яркий луч света (тогда затемнения не нуж - но). Фотограмма позволяет зафиксировать проекции траекторий точек на плоскость, перпендикулярную оптической оси объектива аппарата. Но опре - делить, в какой момент времени движущаяся точка была в том или ином пункте траектории, невозможно. При многократной экспозиции можно получить на одном негативе двойной (тройной и т.д.) фотоснимок (несколько положений). Используя об - тюратор (рис.2,а), получают хронофотограмму (рис.2, б, в)  ряд изображе - ний через одинаковые промежутки времени на одной и той же пленке (или пластинке). Если фотографировать человека, оснащенного светящимися лам - почками с применением обтюратора, то на негативе получится циклограмма (рис.2, г)  ряд точечных траекторий. Расстояние между точками каждой тра - ектории соответствует перемещению точки за равные промежутки времени. Наконец, прерывая луч света, падающий на объект съемки, можно также по - лучить на одном негативе ряд поз освещенного человека  стробофотограм- му. Последний способ позволяет регистрировать позы, как на хронограмме, но с большей частотой (сотни и тысячи герц) при значительной точности вре - менных промежутков. Нередко применяется двусторонняя циклография (двумя аппаратами). Такие же данные получают при помощи зеркальной циклосъемки  прямые и отраженные траектории (как съемки из двух пунктов). 10
Кинорегистрация (киносъемка), как известно, производится пу - тем экспозиции на последовательные участки перемещающейся кинопленки (кинокадры). При всех видах киносъемки первичным материалом регистра - ции является кинопленка (негативная или позитивная). В дальнейшем она мо- жет быть использована для демонстрации на экране с применением нормаль - ной, ускоренной или замедленной проекции кинокадров. Ускоренную съемку (рапид) используют для получения ряда характеристик путем более точных измерений и расчетов. На каждом кадре фиксируется лишь одно положение, по которому можно определить позу и координаты точек тела в соответствую- щий момент. Возможна одновременная киносъемка двумя и тремя киноаппа - ратами, позволяющая получить изображения проекций движений и поз соот - ветственно на две или три взаимно перпендикулярные плоскости, т.е. полу - чить информацию о перемещении звеньев тела во всех трех измерениях. 11
Временные характеристики ( момент времени, длитель - ность движения, темп и ритм движений) можно измерять и фиксировать, от - мечая нужные моменты времени и определяя соответствующие его проме - жутки. Для измерения времени в спортивной практике применяют механиче - ские секундомеры (цена наименьшего деления 0,1 сек). Они дают большие погрешности за счет времени реакции хронометристов при пуске и остановке секундомера. Существуют устройства для автоматического пуска и останов - ки секундомера, значительно снижающие погрешность «реакции». Более точ - ны электросекундомеры, которые, имея малую цену деления (0,01 сек), вклю - чаются и выключаются автоматически. При работе с киноматериалами о про- межутках времени судят по частоте съемки (длительность меж кадрового промежутка времени  величина, обратная частоте). Если частота съемки недостаточно стабильна, то в поле кинокадра снимают точный электросекун - домер. Для отметки времени на ленте, на которой регистрируют те или иные характеристики, применяют хронографы. Отметки времени можно получить на циклограмме и стробофотограмме (по частоте съемки), а также на осцил - лографической записи. Пространственно-временные характеристики (ско- рости и ускорения) можно измерять и рассчитывать. Непосредственной реги - страцией скорости пользуются редко. В исследованиях для практических це - лей удобен спидограф В.В.Абалакова: капроновую нить (длиной до 200 м) движущийся спортсмен сматывает с барабана тахометра, который производит запись кривой скорости. Для регистрации ускорений применяют датчики, позволяющие фикси - ровать ускорение (в одном, двух или трех направлениях). Сигнал от датчика через усилитель поступает на осциллограф. До последнего времени скорости и ускорения определялись преимуще- ственно расчетным путем по координатам точек и временным интервалам. Непосредственная регистрация скоростей и ускорений в сложных движениях встречает технических трудности, но применяется все успешнее. В настоящее время используют также дифференцирующие устройства, которые одновре - менно с регистрацией перемещений дают запись рассчитанных по ним скоро - стей и ускорений. Регистрация динамических характеристик может проводиться до или после движений спортсмена (например, определение массы тела, его момента инерции, силы мышц и др.) и во время движений (например, сила взаимодей - ствия с опорой). Инерционные характеристики (масса, момент инерции) обычно непосредственно не регистрируются. Определяются данные, по ко - торым рассчитывают эти характеристики. 12
Масса тела (m) определяется взвешиванием. Зная по весу тела его силу тяжести (G) и ускорение свободного падения тела (g), определяют мас- су: Распределение масс в теле в известной мере характеризуется положе - нием его общего центра тяжести (ОЦТ). Применяют опытное (эксперимен - тальное) определение положения ОЦТ и расчетное. Распределение масс в теле человека характеризуется также моментом инерции относительно избранной оси (см. 21.3). На качелях (рис. 5,а ) или на пружинном вращающемся столбе (рис. 5,б) помещают человека в заданной позе. Определив расстояние ОЦТ его тела до оси вращения придают установ - ке колебательные движения и регистрируют период одного качания. Зная мо - мент инерции самой установки, массу тела человека и период качаний, мож - но рассчитать момент инерции тела. Можно либо измерять силовые характеристики, регистрируя силы в течение всего движения, получая текущее их значение, либо измерять и реги - стрировать максимальные их значения. Силу действия человека (на определенный объект) можно измерять как при работе групп мышц одного или нескольких суставов, так и при общей совместной работе многих групп мышц (отталкивание, удар боксера и др.). Когда под действием человека деформируется пружина или пластина (плат - форма), деформация передается на индикатор стрелочного типа с предвари - тельно тарированной шкалой. Показания индикатора можно наблюдать непо- средственно, отмечая максимум останавливающейся стрелкой, либо фикси - ровать фотографированием или киносъемкой, а также передавать на записы - вающее устройство (динамография). Для измерения методов силы ряда групп мышц в суставах применяют метод полидинамометрии. Чтобы сравнивать силу групп мышц у разных людей, определяют отно - шение так называемой «абсолютной силы группы мышц» к весу спортсмена. Это отношение называют «относительной силой группы мышц». Использует - ся также кистевая и становая динамометрия. Метод электрической тензометрии основан на изменении электриче - ских свойств датчиков (тензодатчики), наклеенных на деформируемые спорт - сменом части снарядов (гриф штанги или перекладины, рукоять весла, ручка теннисной ракетки и т.п.) или на измерительные устройства (стальные коль - ца, пластины и др.). Тензометрические платформы получили широкое рас - пространение для регистрации силы отталкивания в прыжках, ходьбе, мета - ниях, борьбе и многих других видах спорта. Метод вектординамографии основан на электротензометрической регистрации взаимно перпендикулярных составляющих деформации плат - формы (или другого объекта). Электрические сигналы, пропорциональные соответствующим усилиям человека, приложенным к платформе, воздейству - ют на электронный луч векторэлектрокардиоскопа (ВЭКС-01). На экране 13 g G m 
электронный луч оставляет светящийся след в виде кривой, отражающей из - менения обеих составляющих усилий (см. рис. 6, б). После приложения уси - лия делают фотоснимок светящегося экрана (фотовектординамография). По - местив экран так, чтобы он вошел в кинокадр, получают на кинокамере позу спортсмена и положение электронного луча (точки на экране), соответствую - щее величине и направлению приложенных к платформе усилий (киновек - тординамография). Метод телетензометрии основан на передаче по радио сигнала об уси - лиях, прилагаемых спортсменом к деформируемым элементам (например, к стелькам с тензодатчиками в обуви бегуна, лыжника). Преимущество тензометрических методов заключается в быстроте по - лучения информации, возможностях векторного изображения суммарных усилий. Недостатком являются большие погрешности, скрадывающие важ - ные особенности тонкого управления движениями. Электромиография  метод регистрации электрической активности воз- бужденных мышц  применяется для определения начала и окончания мы - шечных усилий и величины их активности, что по сути дела относится к ди - намическим характеристикам. Электрические потенциалы (тысячные доли вольта) изменяются чрез - вычайно быстро (тысячные доли секунды). Для их регистрации необходимо усилить сигналы в тысячи раз и подать их на безинерционный осциллограф. На фотопленке или бумажной ленте одновременно регистрируются электро - миограммы ряда мышц и отметка времени (обычно до 0,02 сек); предвари - тельно записывается калибровочный сигнал, чтобы при дешифровке записи определить величины биопотенциалов. По электромиограмме можно определить момент включения мышцы в активное состояние и момент прекращения активности, а по этим данным  длительность активности. Кроме того, с известным приближением можно су - дить о степени активности мышцы, т.е. о величине ее напряжения. Примене - ние портативных усилителей биотоков позволяет записывать активность мно - гих мышц в сложных условиях выполнения упражнений (прыжки с шестом, лыжные ходы, барьерный бег, плавание и др.) при высоких спортивных ре - зультатах. Проведение любого вида измерений требует выявления погрешностей измерительных устройств. Об этом мы уже с вами говорили в курсе метроло - гии: систематические, случайные, абсолютные, относительные. Некоторые систематические ошибки можно предусмотреть: внести об - основанные поправки, учесть класс точности измерительного прибора, про - верить измерения той же величины другим методом. Если систематическая ошибка определяющая (больше случайной ошибки метола), то достаточно из- мерить величину один раз. Если определяющей является случайная ошибка, измерение, производят несколько раз и проводят математическую обработку полученных результатов. Повышение точности измерений в развитии науки приводит к новым открытиям. Так, регистрации характеристик в малых интервалах времени 14
позволили изучить важные для спортивного результата микрофазы в академи- ческой гребле, лыжном и других видах спорта. Важным звеном, обобщающим многие методы, является биомеханика, анализ, который направлен на решение конкретных задач исследования путем выявления биомеханических закономерностей. В основы анализа положено представление о структурности движений в двигательном действии человека. Исходя из принципа структурности, намечается определенная последователь - ность описания и объяснения движений. При этом аналитическое выявление состава системы движений сочетается с синтетическим воссозданием ее структуры. Единая последовательность операций вряд ли может быть реко - мендована при различных задачах исследования. Однако излагаемый ниже общий логический ход и дальнейшее использование результатов исследова - ния могут служить основой схемы анализа в каждом конкретном случае. По характеристикам движений судят об их выполнении. Эти характери - стики регистрируют, данные регистрации обрабатывают, сопоставляют, ана - лизируют. Поэтому крайне важно правильно выбрать необходимые для изуче- ния характеристики. Здесь учитывают и особенности движений, и реальные возможности их регистрации (наличие аппаратуры, ее соответствие задачам и др.). Исходя из результатов первичной обработки, составляют план дальней - шего анализа. Основываясь на изученных характеристиках, определяют элементы движений: а) суставные движения звеньев и систем звеньев (элементарные действия) и б) фазы движений. Устанавливают, из каких положений и в каких суставах выполняются движения, в каких направлениях, с каким размахом; какова их последователь - ность и согласованность во времени и пространстве. Иначе говоря, определя - ют внешнюю картину движений в целом. Вслед за этим (а часто и одновременно) вычленяют составные части движений звеньев, подготовительные, рабочие и заключительные фазы. Еще при установлении состава движений (или двигательного состава) стараются уловить взаимные связи и зависимости элементов. Более или ме - нее обстоятельно установив состав, основное внимание переключают на структуру движений. Рассматривая, как форма и характер движений, их кинематическая структура связана с динамикой, с механизмом движений. Динамическую структуру выясняют начиная с определения механиче - ских условий сохранения положений и выполнения движений. Рассматрива - ют внешнее силовое поле, внешние силы, приложенные к телу спортсмена, и его собственные усилия, проявляющиеся как воздействие на собственные ча - сти тела и внешние тела. Выявление внешней и внутренней динамики  столь важная задача в исследовании движений, что ее нередко выделяют как биодинамический ана - лиз. Конечно, без данных о кинематике движений и без изучения их измене - ния под действием сил невозможно изучать биодинамику. В биодинамиче - 15
ском анализе ведущим является рассмотрение взаимосвязей силовых и инер - ционных характеристик и особенно сопоставление действия сил с изменени - ем движений. Главная задача исследования структуры системы движений  воссозда- ние целостного процесса двигательного действия, выявление объединяющей роли и специфического влияния структурных связей. Для оценки эффективности устанавливают, насколько успешно решена двигательная задача и какова «стоимость» ее решения, насколько рациональ - на (с учетом закономерностей биомеханики) достигнута цель. Для этого изу - чаются и результат движений, и условия их выполнения, и соответствие дви - жений задаче достижения цели и конкретным возможностям. На этом этапе исследования необходимо широкое сопоставление возможностей человека с их реализацией. При практическом проведении урока необходима оценка испол - нения физических упражнений. В этих условиях обычно не применяют слож - ных приборов. Однако преподавателю необходимо иметь научно обоснован - ное суждение о качестве исполнения упражнений. Зная основные закономер - ности движений, наблюдая зрительно за движениями, преподаватель прово - дит качественный биомеханический анализ (В.Б. Коренберг). Для этого необ- ходимы отличное знание техники упражнений, опыт наблюдения и оценки, наличие хорошо продуманного плана наблюдений, способность быстро и точ- но замечать детали исполнения упражнений, умение дать ему (опираясь на знание основных положений и законов биомеханики) педагогическую оцен - ку. В процессе изучения курса «Биомеханика двигательной деятельности» будут проводиться различные экспериментальные и научные исследования, выполняться лабораторные, расчетно-графические и контрольные работы, индивидуальные задания с помощью различных методов. Будем знакомиться с учебной, научно-методической и научной литературой. Учиться собирать и обрабатывать полученную информацию по различным проблемам, актуаль - ным вопросам и направлениям современной науки биомеханики.
Литература.
1. Бернштейн Н.А. Биомеханика и физиология движений. Избр. психол. труды. М. ; Воронеж, 1997. 2. . Бернштейн Н.А. Избранные труды по биомеханике и кибернетике. М., 2001. 3. Донской Д.Д. Биомеханика с основами спортивной техники . - М. ФиС, 1971 - 288 с. 4. Донской Д.Д., Зациорский В.М. Биомеханика. - М. ФиС, 1979 - 264 с. 16
5. Зациорский В. М., Аруин А. С, Селуянов В. Н. Биомеханика двигатель ного аппарата человека. – М.: Физкультура и спорт, 1981. – 143 с. 6.Коренберг, В. Б. Лекции по спортивной биомеханике (с элементами кинезиологии) : [учеб. пособие] / В. Б. Коренберг .- М. : Советский спорт, 2011. -2006с. 7. Назаров В.Т. Движения спортсмена. – Мн.: Полымя, 1984. – 176 с.
8.
Овчинников Ю.Д. Биомеханика двигательной деятельности [Текст]: учебное пособие /Ю.Д. Овчинников.- Краснодар: КГУФКСТ.2014-265с. 9.Овчинников Ю.Д. Биомеханика двигательной деятельности. Лабора - торный практикум.Учебное пособие// (Saarbrücken)Германия,2014.77с. 10.Попов Г.И. Биомеханика двигательной деятельности.[ учеб. для студ. учреждений высш. проф. образования]/Г.И. Попов, А.В. Самсо нова.- М.: Издательский центр «Академия»,2011.-320с. 17