Биомеханика

Биомеханический анализ направлен на изучение внешних и внутренних сил по отношению к телу человека. Эти силы могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на состояние и/или мастерство индивидуума. Биомеханика позволяет определить, дать количественную оценку, а также прогнозировать изменение этих сил с целью предупреждения травматизма, повышения комфортности и двигательной активности, а также совершенствования двигательного мастерства как в обычной жизни, так и в спорте.

Биомеханика — это наука, изучающая силы, действующие на биологическую структуру и в пределах этой структуры, а также результат воздействия этих сил. В биомеханике применяются научные методы исследования из механики, биологии, физиологии и контроля двигательной деятельности для изучения нормального и патологического функционирования тела человека.
Силы, действующие на биологический объект, могут вызывать его ускорение или деформацию, кроме того, силы, действующие на живые ткани (например, кости, связки, сухожилия и мышцы), могут также влиять на метаболизм этих структур.
Основными показателями, которые количественно определяются в биомеханических исследованиях, являются:
• движение различных сегментов тела (например, позы тела, распределение веса);
• факторы, влияющие на изменения движения сегментов (например, обувь, опора, стельки);
• факторы, влияющие на деформацию биологической структуры (например, суставная конгруэнтность);
• биологические эффекты локально действующих сил на живые ткани (например, рост и увеличение).

Эти биомеханические измерения используют в различных направлениях. Рассмотрим два из них:

1) биомеханические изменения походки при использовании ортопедической обуви и стелек;

2) совершенствование спортивного мастерства на основе биомеханического анализа и/или его внедрения в практику.

Сила и перенапряжение

Силы, обеспечивающие жизнедеятельность организма человека, считаются "нормальными". В то же время чрезмерные силы (перенапряжение) способны оказать отрицательное влияние на биологические ткани. Таким образом, для предупреждения травм могут применяться биомеханические положения, например изменение величины нагрузки (сил) на определенные ткани. Так, в частности, было выявлено, что использование стелек и различных ортопедических приспособлений может изменять величину сил, действующих на стопу и голень, и, следовательно, изменять величину общей нагрузки на них.
Силы, действующие на сустав, определяются величиной внешней силы и расстоянием от сустава до вектора действия силы (плечо рычага). По мере увеличения расстояния между силой и центром сустава, возрастает суставная сила (действующая на сустав) (рис. ).

Силы, действующие на сустав, являются результатом воздействующих внешних и внутренних сил, создаваемых мышечно-сухожильными элементами (например, вследствие сокращения). Внутренними силами нередко пренебрегают, однако они очень важны для оценки величины нагрузки на определенный сустав. Используя пример, в котором человек стоит на пальцах одной ноги (рис.), можно определить силы, действующие на голеностопный сустав, сделав несколько упрощающих предположений.

Предположим, что все силы действуют в вертикальном направлении, сила реакции опоры (Fg) равна весу тела (Р) и ахиллово сухожилие (Fa) — единственная мышечно-сухожильная единица, создающая силу, тогда мы можем определить силы, действующие на голеностопный сустав (Fj). Сила, действующая на голеностопный сустав, должна быть равной сумме сил реакции опоры и силе тяги ахиллова сухожилия. Поскольку величина Fg нам уже известна (1 Р), то в результате вычислений мы установим, что сила сухожилия приблизительно в 4 раза превышает массу тела (4 Р). Таким образом, сила, действующая на сустав, равна (5 Р). Следовательно, основной составляющей силы, действующей на сустав, является внутренняя сила, создаваемая мышечной единицей, а не внешней силой реакции опоры.

Из этого следует, что, пытаясь изменить силы, действующие на коленный и голеностопный сустав, необходимо определить, как рассматриваемое условие влияет на внутренние и внешние силы.

Эффекты изменения внешних сил — конструкция обуви и стелек

Стельки, а также различные ортопедические приспособления используют для устранения целого ряда нарушений, таких, как, например, чрезмерная пронация стопы, анатомические аномалии (например, разная длина ног или скелетные деформации), усталостные переломы и остеоартрит, а также для повышения комфортности. Используя их, можно изменить степень нагрузки на голеностопный и/или коленные суставы при локомоции.

С помощью стелек можно сместить точку соприкосновения стопы с поверхностью. Ортопедические приспособления позволяют также изменить направление воздействия сил на каждый сустав. Результаты исследований свидетельствуют, что различия в скелетном движении при ношении различной обуви очень небольшие. Поэтому, скорее всего, изменения в нагрузке на сустав как эффект действия внешних сил являются результатом изменения точки соприкосновения стопы с опорой.

Применение одного и того же метода может привести к различным результатам у разных людей (рис.).

Как отмечалось выше, изменения в конструкции обуви или стельки может оказывать различную нагрузку на голеностопный и коленный суставы. Существует тесная взаимосвязь между местонахождением центра "давления" на стопу и нагрузкой на коленный сустав. Этот факт имеет большое значение для каждого врача, который считает целесообразным изменение обуви в случае жалоб пациента на боль в коленном суставе (рис.).

Из рисунка видно, что нагрузка на голеностопный сустав при ношении разной обуви была практически одинаковой, в отличие от нагрузки на коленный сустав. Изменение конструкции обуви может иметь очень большое значение. Увеличение сил, действующих на сустав во время бега, нередко является главной причиной травм.

Внутренние силы и соответствующие аспекты нагрузки

При использовании различных стелек или ортопедических приспособлений наблюдается несколько различий в скелетном движении. Это свидетельствует о том, что при любом данном задании каждый сустав имеет предпочтительную структуру движения и пытается воссоздать ее во время выполнения цикличных движений, таких, как ходьба или бег. Высказывается предположение, что любое отклонение от данной структуры "встретит" сопротивление со стороны системы двигательного контроля. Обувь и стельки способны изменить положение сустава, которое повлияет на структуру движения. Если перемещения сустава приближают движение к предпочтительной структуре, то мышцам требуется меньшая степень активации, чтобы выполнить привычную структуру движений. Если происходит удаление движения от привычной структуры, активация мышц, как правило, увеличивается. Это потенциальное увеличение мышечной силы может привести к усилению суставной силы, что может вызвать травму.

Установлено, что незначительные изменения в обуви, как, например, при использовании различных ортопедических приспособлений, приводят к различиям в мышечных структурах. Когда один и тот же испытуемый бежал в двух различных видах обуви, изменения были очевидны в мышцах-разгибателях, которые служат для поддержания тела, а также для контроля движений в коленном и тазобедренном суставах (рис.).
В один и тот же момент опорной фазы обувь вызывала более значительную активацию мышц. Это свидетельствует о том, что уже при изменении взаимодействия между стопой и опорой в структуре активации мышц и величине сил, действующих на сустав, могут произойти изменения. Эти изменения происходят на уровне подсознания, которые отражаются в оценке степени удобства различных конструкций обуви. Интересно, что испытуемый отмечал большую комфортность обуви, которая вызывала меньшую степень активации мышц.

На рисунке показаны различия мышечной активации у одного и того же испытуемого при использовании двух различных видов обуви. Интенсивность цвета указывает на величину активации медиальной широкой мышцы бедра (1) и прямой мышцы бедра (2)

Комфорт

Ортопедическая обувь используется для повышения комфортности во время занятий двигательной активностью. Комфорт представляет собой субъективное качество, которое трудно определить. С биомеханической точки зрения:
• комфорт может быть связан с тем, что стелька или ортопедическое устройство удобны в использовании.

Если стелька не соответствует форме стопы, это приводит к увеличению давления и дискомфорту;
• комфорт может быть связан с устойчивостью. Если стелька приводит к менее устойчивому положению стопы, то для стабилизации сустава во время выполнения динамических движений требуется дополнительная мышечная работа. Увеличение работы мышц интерпретируют как снижение степени комфортности;

• комфорт может быть связан с утомлением. Если мышцы расходуют больше энергии, пытаясь модифицировать структуры движения или стабилизировать положение суставов, это может привести к преждевременному утомлению. Выполнение даже простых задач в состоянии утомления можно интерпретировать как снижение степени комфортности.

Комфорт, таким образом, играет весьма важную роль. Если в той или иной обуви спортсмен не чувствует себя комфортно, то он просто-напросто не должен ее носить.

Функциональное группирование

Решение механической проблемы, как правило, имеет единственное оптимальное решение. В биомеханике существует множество решений вследствие индивидуальных различий в биологической конституции. Одни и те же действия приводят к абсолютно различным результатам у разных людей. Это можно продемонстрировать, предложив одну и ту же стельку разным испытуемым и изучив изменения давления на стопу.
Используя одну и ту же стельку, каждый из трех испытуемых использовал различное решение двигательной задачи. У первого испытуемого наблюдалось увеличение давления у пятки, снижение давления в средней части стопы, давление в передней части стопы практически не изменилось; у второго испытуемого отмечалось снижение давления в области пятки и средней части стопы, давление в передней части стопы осталось таким же; у третьего испытуемого давление во всех участках стопы практически не изменилось. Эти результаты убедительно указывают на необходимость индивидуального подхода к каждому испытуемому.
Сгруппировать испытуемых и предсказать двигательные реакции можно на основании чувствительности подошвенной поверхности стопы. В стопе есть множество различных сенсорных рецепторов, которые реагируют на давление, вибрацию, боль и термальный стимул. Эти рецепторы передают сигналы об изменении условий в области стопы, которые поступают в центральную нервную систему. Предполагают, что при изменении условий в области стопы меняется и сигнал, идущий к рецепторам, вследствие чего тело соответственным образом реагирует на эти изменения. Индивидуальные различия в чувствительности этих рецепторов, а также в способе интерпретации сигналов, посылаемых рецепторами, могут объяснить тот факт, почему испытуемые, более восприимчивые к механическим стимулам, более выраженно реагируют на изменения давления или материала под стопой.

Совершенствование спортивного мастерства

Спортивное мастерство улучшается в том случае, когда задание выполняется наиболее эффективно. Для повышения спортивных результатов используют биомеханические методы, в том числе:

 определение ошибок в технике выполнения и соответствующую их корректировку;
• модифицирование моделей движения человека и/или снаряда;
• анализ сопротивления воздуха и тормозящих сил.
• улучшение атлетических снарядов.

Повышение качества спортивного оборудования и экипировки

Достижения биомеханики в области спортивного оборудования и экипировки касаются главным образом:
• увеличения защитных качеств;
• повышения комфортности;
• совершенствования спортивного мастерства.
Спортивная экипировка применяется практически во всех видах спорта для повышения степени безопасности участников. Эффективность защитных средств зависит от биомеханического дизайна, цель которого — сделать защитные средства подходящими, удобными, не стесняющими движения и смягчающими силы воздействия.
Большую роль играет комфортность защитных средств. Мы уже рассматривали взаимосвязь между комфортностью спортивной обуви и спортивными результатами. Если обувь неудобная, следует ожидать снижения спортивного результата из-за возникновения болевых ощущений или вследствие подсознательного изменения структуры движения. Это же можно сказать и по поводу большей части спортивной экипировки. Если она неудобна, спортсмен не сможет ее использовать должным образом.
За последние 50 лет результаты во многих видах спорта существенно улучшились благодаря биомеханическим достижениям в области создания спортивного оборудования и экипировки. Чтобы оптимизировать применение спортивной экипировки в ряде видов спорта, она должна эффективно накапливать и выделять энергию, а также минимизировать рассеивание энергии. Примером "накопления" энергии в спортивном оснащении могут служить батут или доска для прыжков в воду. Оба снаряда характеризуются относительно высокой степенью упругости, что обеспечивает значительную деформацию и обусловливает накопление большого количества энергии.
На рисунке ниже приведены различные виды энергии, которые изучаются в биомеханике с целью максимального повышения спортивных результатов.

Резюме

Биомеханический анализ направлен на изучение внешних и внутренних сил по отношению к телу человека. Эти силы могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на состояние и/или мастерство индивидуума. Биомеханика позволяет определить, дать количественную оценку, а также прогнозировать изменение этих сил с целью предупреждения травматизма, повышения комфортности и двигательной активности, а также совершенствования двигательного мастерства как в обычной жизни, так и в спорте.

Обсуждение статьи    

Каталог продуктов

Задать вопрос по обратной  связи

Создать тему для индивидуальных консультатций