Развитие биомеханики

Биомеханика, изучающая механику движений живых организмов с учетом их анатомо-физиологических особенностей, развивалась вместе с развитием человеческого общества, как и другие науки. Ее успехи наиболее тесно связаны с достижениями медико-биологических наук, теоретической и прикладной математики.

Первой серьезной работой в области биомеханики движений следует считать опыты римского врача школы гладиаторов Клавдия Галена (131-201 гг. н.э.). Он первым экспериментально установил связь работы мышц человека с суставными движениями, обратил внимание на группы мышц, работающие в одном и противоположном направлениях.

Мысль о том, что законы механики могут быть применены для исследования движений живых существ, была впервые высказана великим Леонардо да Винчи (1451-1519).

Первая книга по механике живого вышла в свет в Риме в 1679 г. Ее автор – профессор математики Джованни Альфонсо Борели (1608-1679) подвел итог накопившемуся опыту в этой области и дал существенный толчок дальнейшим исследованиям движений живых существ. К этому времени достаточно стройную систему знаний составляла статика, указывающая условия равновесия механических систем. Почти все ее основные законы уже были сформулированы Архимедом (287-212 гг. до н.э.), Леонардо да Винчи, Убальди (1545-1607), Стевином (1548-1620) и Вариньоном (1654-1722). Хотя в современном виде законы статики были изложены значительно позже французским геометром Пуансо ().

Основы динамики, связывающие кинематику движения тел с действием приложенных к ним сил, только еще вырисовывались в работах Галилея (1564-1642) и Декарта (1569-1650). Трактат Ньютона (1643-1726) «Математические начала натуральной философии», приведшего в стройную систему достижения своих предшественников и четко сформулировавшего известные законы динамики, вышла в свет в 1686 г. уже после смерти Борели.

Отсюда понятно, что исследования Борели, прежде всего могли быть направлены на изучение статики человеческого тела. Им подробно были рассмотрены с точки зрения механики условия равновесия многозвенной системы, дано определение общего центра тяжести (ОЦТ) человеческого тела и приведены первые экспериментальные данные по этому вопросу. Анализ органов движения живых организмов заканчивался классификацией движений животных и человека по виду их взаимодействия с окружающей средой. Так были выделены движения, происходившие в результате отталкивания от опоры, подтягивания к ней, движения вызванные отталкиванием от жидкой или газообразной среды.

Свою научную деятельность выдающийся математик и механик Бернулли (1694-?) начал с медицинской работы «Соискательная физико-математическая диссертация о движении мускулов». В ней автор предлагает модель мышцы в виде отдельных волокон. В этом исследовании применялось лейбницево дифференциальное исчисление. Таким образом для современного математического аппарата задача механики живого была одним из первых пробных камней. До сих пор в биомеханике отмечается принцип Бернулли, согласно которому величина мышечного сокращения при прочих равных условиях пропорциональна длине образующих мышцу волокон.

Примечательно внимание с каким обращались в то время к проблеме движения живых существ основоположники классической механики. В своей последней крупной незаконченной работе «Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света (1706, 1721) Ньютон, оставляя своеобразное творческое завещание, отмечал: «Ввиду того, что я не завершил этой части моего плана, я закончил предложением только нескольких вопросов для дальнейшего исследования, которое произведут другие». Среди вопросов под № 28 говорится: «Каким образом тела животных устроены с таким искусством и для какой цели служат их отдельные части…? Каким образом движение тел следует воле и откуда инстинкт у животных?»

Значительный этап в биомеханике физических упражнений связан с именами братье Вебер. В фундаментальной работе «Механика двигательного аппарата человека» (г. Геттинген, 1836) приведен уже значительный материал по кинематике ходьбы.

Значительный вклад в изучение динамики двигательных актов внесли Вильгельм Брауне и Отто Фишер. Они уточнили расположение ОЦТ тела и отдельных его частей, впервые экспериментально установили величины моментов инерции звеньев тела, усовершенствовали методы регистрации движений, подошли к определению вращательных моментов мышц, развиваемых в отдельных суставах. После смерти Брауне Фишер изучил с точки зрения динамики действие одно- и многосуставных мышц, изложил статику человеческого тела как частный случай динамики мышечной деятельности и решил ряд других задач.

Огромный вклад в биомеханику внес Николай Александрович Бернштейн (1896-1966), который неоднократно говорил, что каждая наука становится действительной наукой только тогда, когда она в состоянии ответить на два следующих вопроса, поставленных к предмету ее исследования: как происходит явление и почему оно происходит? Согласно первому вопросу находятся сперва качественные описания рассматриваемых явлений, а затем и количественные взаимоотношения его отдельных частей. На втором этапе, соответствующем вопросу «почему?» также вначале качественно, а затем в строгой математической формулировке устанавливаются причины, вызывающие эти явления. Но ответов на эти вопросы оказывается еще недостаточно для уяснения сущности происходящих биологических явлений. Это особенно наглядно прослеживается при изучении движений живых существ. действительно, много ли может сказать о сущности акта ходьбы подробный анализ кинематики шага человека или определение причин движения: внешние и мышечные силы и моменты сил, действующие на звенья тела? Все это говорит о том, что в цепи логических суждений о движении живых существ выпускается какое-то звено.

Таким звеном оказался третий, не присущий неживым объектам исследования, вопрос – «для чего?» – отражающий целесообразность деятельности биологических систем. Эта черта функционирования живых существ была названа активностью.

Так складывались основные направления в развитии биомеханики: механическое, функционально-анатомическое и физиологическое, существующие и поныне. Основные направления в биомеханике возникали последовательно и далее развивались параллельно. В механическом направлении заложены основные идеи об изменении движений под действием приложенных сил и о применимости законов механики к движениям человека и животных. В функционально-анатомическом – идеи о единстве и взаимообусловленности формы и функции в живом организме. В физиологическом – идеи системности функций организма, энергетического обеспечения и идея нервизма, раскрывающая значение процессов управления движениями в двигательной деятельности.

Механическое направление, начатое работами Д. Борели, развитое Брауне и Фишером, представлено сейчас в работах многих зарубежных школ. Механический подход к изучению движений прежде всего позволяет определять количественную меру двигательных процессов. Измерение механических показателей двигательной функции совершено необходимо для объяснения физической сущности механических явлений. Это одна из основ биомеханики. С точки зрения физики раскрываются строение и свойства опорно-двигательного аппарата, а также движений человека. В этом отношении механическое направление никогда не потеряет своего значения. Вместе с тем иногда встречается упрощенная трактовка биомеханики как «прикладной к живому» механики, что ограничивает возможности познания действительной сложности движений человека и их целенаправленного совершенствования.

Функционально-анатомическое направление (динамическая анатомия) возникло в России. Среди его основоположников П.Ф. Лесгафт (1837-1930), И.М. Сеченов (1829-1905), М.Ф. Иваницкий (?-?). это направление характеризуется преимущественно описательным анализом движений в суставах, определением участия мышц в сохранении положения тела и его движениях. знание морфологических особенностей биомеханических систем обеспечивает более глубокое и правильное обоснование физической и технической подготовки в физическом воспитании и, в частности, в спорте.

Физиологическое направление складывалось под влиянием идей нервизма, учения о высшей нервной деятельности и данных нейрофизиологии. И.М. Сеченов, И.П. Павлов (?-?), А.А. Ухтомский (1875-1942), П.К. Анохин (?-?), Н.А. Бернштейн и др. показали в своих работах рефлекторную природу двигательных действий и роль механизма нервной регуляции при взаимодействии организма и среды. Труды этих авторов составляют основу для исследования движений с учетом физиологии организма. В частности П.К. Анохин явно указал, что только представление о цели связывает деятельность разрозненных систем организма в единое целое – функциональную систему. Исследования Н.А. Бернштейна позволили ему установить чрезвычайно важный принцип управления движениями общепризнанный в настоящее время.Управление движениями осуществляется посредством: а) приспособления импульсов (команд) нервной системы по ходу движения к конкретным условиям его выполнения; б) устранения отклонений от задачи движения (коррекция).

Все три направления в развитии биомеханики объединены в рамках системно-структурного подхода как методологической основы изучения движений.