Biomechanika je obor přírodních věd, který na základě modelů a metod mechaniky studuje mechanické vlastnosti živých tkání, jednotlivých orgánů nebo organismu jako celku a také mechanické jevy v nich probíhající.
Biomechanický výzkum pokrývá různé úrovně organizace živé hmoty: biologické makromolekuly, buňky, tkáně, orgány, orgánové systémy i celé organismy a jejich společenstva.
Nejčastěji je předmětem studia této vědy pohyb zvířat a lidí, stejně jako mechanické jevy v tkáních, orgánech a systémech. Pod mechanickým pohybem se rozumí pohyb celého biosystému jako celku a také pohyb jednotlivých částí systému vůči sobě - deformace systému. Všechny deformace v biosystémech jsou spojeny s biologickými procesy, které hrají rozhodující roli v pohybech zvířat a lidí. Jedná se o svalovou kontrakci, deformaci šlachy, kosti, vazů, fascií, pohyb v kloubech.
Samostatnou oblastí biomechaniky je biomechanika dýchacího aparátu, jeho elastický a nepružný odpor, kinematika (tedy geometrická charakteristika pohybu) a dynamika dýchacích pohybů, jakož i další aspekty činnosti dýchacího ústrojí. aparát jako celek a jeho části (plíce, hrudník); oběhová biomechanika studuje elastické vlastnosti cév a srdce, hydraulický odpor cév proti průtoku krve, šíření elastických vibrací po cévní stěně, pohyb krve, práci srdce atd.
Lidská biomechanika je komplexní věda. Zahrnuje širokou škálu znalostí jiných věd, jako je mechanika a matematika , funkční anatomie a fyziologie , anatomie a fyziologie související s věkem , pedagogika a teorie tělesné kultury .
Pohyby částí lidského těla jsou pohyby v prostoru a čase, které se provádějí v mnoha kloubech současně a postupně. Pohyby v kloubech jsou svou formou a povahou velmi rozmanité, závisí na působení mnoha působících sil. Všechny pohyby jsou přirozeně spojeny do integrálních organizovaných akcí, které člověk ovládá pomocí svalů. Vzhledem ke složitosti lidských pohybů zkoumá biomechanika jak jejich mechanické, tak biologické aspekty a nutně v úzkém vztahu.
Vzhledem k tomu, že člověk vždy vykonává smysluplné jednání, zajímá ho, jak lze cíle dosáhnout, jak dobře a snadno to za daných podmínek funguje. Aby byl výsledek pohybu lepší a bylo by ho snazší dosáhnout, člověk vědomě zohledňuje a využívá podmínky, ve kterých pohyb provádí. Navíc se naučí dokonaleji provádět pohyby. Biomechanika člověka zohledňuje tyto schopnosti, které se výrazně liší od biomechaniky zvířat.
Biomechanika člověka tedy studuje, jakým způsobem a jaké podmínky pro provádění akcí jsou lepší a jak je zvládnout. Obecným úkolem studia pohybů je vyhodnotit efektivitu použití sil k dosažení cíle. Jakékoli studium pohybů je v konečném důsledku zaměřeno na to, aby vám pomohlo je lépe provádět. Než přistoupíme k vývoji nejlepších způsobů jednání, je nutné vyhodnotit ty stávající. Z toho vyplývá obecný úkol biomechaniky, který se redukuje na hodnocení účinnosti metod provádění studovaného pohybu. Biomechanika zkoumá, jak může výsledná mechanická energie pohybu a napětí získat funkční aplikaci. Pracovní účinek se měří tím, jak je vynaložená energie využita. Chcete-li to provést, určete, jaké síly konají užitečnou práci, jaké jsou podle původu, kdy a kde jsou aplikovány. Totéž je třeba vědět o silách, které produkují škodlivou práci, která snižuje účinnost užitečných sil. Taková studie umožňuje vyvodit závěry, jak zvýšit účinnost akce. Při řešení obecného problému biomechaniky vyvstávají četné konkrétní problémy, které nejen zajišťují přímé posouzení účinnosti, ale také vycházejí z obecného problému a jsou mu podřízené.
Metoda biomechaniky je systémová analýza a systémová syntéza pohybů na základě kvantitativních charakteristik, zejména kybernetického modelování pohybů. Biomechanika jako experimentální, empirická věda je založena na experimentálním studiu pohybů. Pomocí přístrojů jsou zaznamenávány kvantitativní charakteristiky, např. trajektorie rychlosti, zrychlení apod., které umožňují rozlišovat pohyby a vzájemně je porovnávat. S ohledem na vlastnosti mentálně rozdělují pohybový systém na jednotlivé části - stanovují jeho složení. To je podstata systémové analýzy.
Pohybový systém jako celek není jen součtem jeho jednotlivých částí. Části systému jsou spojeny četnými propojeními, což mu dává nové kvality, které nejsou obsaženy v jeho částech (vlastnosti systému). Je třeba tento svaz reprezentovat, stanovit způsob propojení částí systému – jeho strukturu. To je podstata syntézy systému. Systémová analýza a systémová syntéza jsou spolu neoddělitelně propojeny, doplňují se ve studii systémově-strukturální.
Při studiu pohybů v procesu vývoje systémové analýzy a syntézy se v posledních letech stále více uplatňuje metoda kybernetického modelování - konstrukce řízených modelů (elektronických, matematických, fyzikálních atd.) pohybů a modelů Lidské tělo.
Klinická (lékařská) biomechanika je nedílnou součástí lékařských věd: ortopedie , traumatologie , protetika , rehabilitace ( fyzioterapie ), pediatrie , fyziologie a mnoho dalších. ostatní.
Klinická biomechanika je vědecký směr, ve kterém se z hlediska mechaniky a obecné teorie řízení za pomoci specializovaných výzkumných metod studuje motorická aktivita člověka za normálních i patologických stavů [1] .
Hlavní sekce:
Studované fenomény:
Hlavní výzkumné metody:
Biomechanika tělesných cvičení jako samostatná vědní disciplína obohacuje teorii tělesné výchovy a zkoumá jeden z aspektů tělesných cvičení – techniku. Biomechanika tělesných cvičení je přitom přímo využívána v praxi tělesné výchovy. Jako akademický předmět obsahuje biomechanika hlavní ustanovení nauky o pohybech, zobecněné a systematizované zkušenosti se studiem obecných objektivních zákonů. Předmětem poznání biomechaniky je pohybové jednání člověka jako systém vzájemně propojených aktivních pohybů a poloh jeho těla. Úkoly sportovní biomechaniky jsou:
Biomechanika tělesných cvičení se dělí na obecnou, diferenciální a partikulární.
Biomechanika zaujímá mezi vědními obory v tělesné výchově a sportu zvláštní postavení. Vychází z anatomie, fyziologie a základních vědních disciplín - fyzika (mechanika), matematika, teorie řízení. Interakce biomechaniky s biochemií, psychologií a estetikou dala vzniknout novým vědeckým směrům, které, sotva se zrodily, již přinášejí velké praktické výhody. Patří mezi ně „psychobiomechanika“, energeticko-statické a estetické aspekty biomechaniky.
Nedílná součást biomedicínské vědy Protetika
Sportovní biomechanika je část biomechaniky, která studuje techniku provádění sportovních motorických akcí.
Nedílná součást nauky o ergonomii ( ochrana zdraví při práci).
Teoretická biomechanika je věda založená na aplikaci matematické metodologie a matematického aparátu.
Počítačová biomechanikaJedním z oborů teoretické biomechaniky je počítačová biomechanika, počítačové modelování. Intenzivně se rozvíjí, doplňuje teoretickou biomechaniku o nové poznatky.
Jako divadelní zavedl tento termín V. E. Meyerhold do své režijní a pedagogické praxe na počátku 20. let. odkazovat na nový systém školení herců . "Biomechanika se snaží experimentálně stanovit zákonitosti pohybu herce na jevišti a vypracovat tréninková cvičení herecké hry na základě norem lidského chování." (V. E. Meyerhold.) Divadelní biomechanika se ve své teoretické části opírala jednak o psychologický koncept W. Jamese (o primát fyzické reakce ve vztahu k reakci emoční), o reflexologii V. M. Bechtěreva a tzv. pokusy I. P. Pavlova . Na druhou stranu biomechanika byla uplatněním myšlenek americké školy organizace práce stoupenců F. W. Taylora v oblasti herectví (tzv. „Taylorizace divadla“): , která zaručuje přesnost pohybů. které přispívají k rychlé realizaci úkolu. (V. E. Meyerhold.) Meyerholdova biomechanika se úzce prolíná s vědeckou biomechanikou, kterou v Ústředním ústavu práce vytvořil A. K. Gastev [4] . V praktické části rozvoje biomechanických cvičení pro herce byly využity zkušenosti z minulého divadla: jevištní technika commedia dell'arte, herecké postupy E. Duse, S. Bernarda, J. Grasso, F. Chaliapin, J. Coquelin atd. Biomechanická technika byla v protikladu k jiným školám herectví: "uvnitř" a "prožitkům", vedeným od vnějšího pohybu k vnitřnímu. Podle Meyerholda musel mít herec-biomechanik přirozenou schopnost reflexní dráždivosti a fyzické pohody (přesné oko, koordinace pohybu, stabilita atd.). Tréninkové biomechanické etudy vytvořené Meyerholdem měly obecné schéma: „odmítnutí“ je pohyb opačný k cíli; "game link" - záměr, realizace, reakce. „Biomechanika je úplně prvním krokem k expresivnímu pohybu“ ( S. M. Eisenstein ) [5] .
Historie biomechaniky je nerozlučně spjata s historií techniky, fyziky, biologie a medicíny, stejně jako s dějinami tělesné kultury a sportu. Mnoho úspěchů těchto věd předurčilo vývoj nauky o pohybu živých bytostí.
Moderní biomechaniku si nelze představit bez zákonů mechaniky objevených Archimedem , Galileem, Newtonem , bez fyziologie Pavlova , Sechenova , Anokhina a bez moderních počítačových technologií.
Biomechanika je jedním z nejstarších oborů biologie . Jeho počátky byly práce Aristotela , Galena , Leonarda da Vinciho [6] .
Ve svých přírodovědných dílech „Části pohybu a pohybu zvířat“ položil Aristoteles základ pro to, co později, po 2300 letech, bylo nazváno vědou biomechaniky. Ve svých vědeckých pojednáních popisuje svým charakteristickým myšlením zvířecí svět a zákonitosti pohybu zvířat i lidí. Psal o částech těla nezbytných pro pohyb v prostoru (lokomoce), o dobrovolných a mimovolních pohybech, o motivaci pohybů zvířat a lidí, o odporu prostředí, o cyklické povaze chůze a běhu, o schopnosti živých bytostí dát se do pohybu...
Největší lékařský vědec starověku (po Hippokratovi ) byl Claudius Galen (131-201 nl). V souladu se světonázorem dávných dob Galén chápal celistvost těla. Napsal:
"V celku částí je vše ve vzájemné shodě a ... vše přispívá k činnosti každé z nich."
Studium nervů umožnilo Galenovi dospět k závěru, že nervy jsou podle svých funkčních charakteristik rozděleny do tří skupin: ty, které jdou do smyslových orgánů, plní funkci vnímání, ty, které jdou do svalů, řídí pohyb, a ty, které jdou orgány je chrání před poškozením. Jeho hlavním dílem je On the Appointment of the Parts of the Human Body. Galén experimentálně ukázal, že končetina je střídavě ohnuta vnitřními a poté prodlouženými vnějšími svaly. Popisuje tedy pátý sval, podle jeho názoru největší ze všech svalů těla, přidává stehno a skládá se z velkých, středních a malých svalů připojených k vnitřní a zadní části stehenní kosti a klesající téměř ke kolenům joint, když analyzoval jeho funkci, napsal:
„Zadní vlákna tohoto svalu, vycházející z ischia, posilují nohu namáháním kloubu. Neméně silně toto působení vyvolává spodní část vláken vycházejících z stydké kosti, ke které se přidává mírný rotační pohyb dovnitř. Nad jejich ležícími vlákny přivádějí stehno dovnitř stejným způsobem, jako přivádějí ta nejvyšší a zároveň stehno mírně zvedají.
[7] . Rozvoj mechaniky ve středověku významně ovlivnily studie Leonarda da Vinciho (1452-1519) o teorii mechanismů, tření a dalších otázkách. Při studiu funkcí orgánů považoval tělo za model „přírodní mechaniky“. Poprvé popsal řadu kostí a nervů, věnoval zvláštní pozornost problémům srovnávací anatomie a pokusil se zavést experimentální metodu do biologie. Tento velký umělec , matematik , mechanik a inženýr poprvé vyjádřil nejdůležitější myšlenku pro budoucí biomechaniku:
"Věda o mechanice je tak ušlechtilá a užitečnější než všechny ostatní vědy, protože všechna živá těla, která mají schopnost se pohybovat, jednají podle jejích zákonů."
Jeho úspěch jako velkého umělce do značné míry závisí také na biomechanickém zaměření jeho obrazů - detailně zobrazují techniku pohybu. Jeho pozorování, evidentní dnes, byla ve středověku revoluční. Například,
"Svaly vždy začínají a končí v sousedních kostech a nikdy nezačínají a nekončí na stejné kosti, protože nemohly hýbat ničím kromě sebe."
[8] . Leonardo je samozřejmě zakladatelem funkční anatomie, nedílné součásti biomechaniky. Popsal nejen topografii svalů, ale také význam každého svalu pro pohyb těla.
Za zakladatele vědy biomechaniky je považován italský přírodovědec Giovanni Borelli . Profesor na univerzitách v Messině (1649) a Pise ( 1656 ). Kromě práce v oboru fyziky, astronomie a fyziologie rozvíjel otázky anatomie a fyziologie z hlediska matematiky a mechaniky . Ukázal, že pohyb končetin a částí těla u lidí a zvířat při zvedání závaží, chůzi, běhu, plavání lze vysvětlit principy mechaniky, poprvé interpretoval pohyb srdce jako svalovou kontrakci, studoval mechaniku pohybu hrudníku, stanovil pasivitu expanze plic.
Nejznámějším dílem vědce je „Pohyb zvířat“ („De Motu Animalium“). Jeho výuka je založena na pevných biomechanických principech, ve své práci popsal principy svalové kontrakce a poprvé představil matematická schémata pohybu. Jako první používá biomechanický model k vysvětlení pohybu v biomechanickém systému.
Nový impuls pro rozvoj biomechaniky byl spojen s vynálezem metody filmování lidského pohybu. Francouzský fyziolog , vynálezce a fotograf. Etienne Marey ( 1830-1904 ) jako první použil filmovou fotografii ke studiu lidských pohybů. Také poprvé aplikoval metodu nanášení markerů na lidské tělo - prototyp budoucí cyklografie. Důležitým mezníkem v historii biomechaniky byly cykly fotografií pořízených několika fotoaparáty z různých úhlů pohledu, které provedl E. Muybridge ( 1830-1904 ) (USA). Série fotografií („Cválající kůň“, 1887) ukázala mimořádnou krásu plasticity skutečných pohybů. Od té doby se filmová fotografie používá k analýze pohybů jako jedna z hlavních metod biomechaniky. Počátek rozboru lidského pohybu položili bratři Weberové (1836) v Německu. První trojrozměrnou matematickou analýzu lidské chůze provedl Wilhelm Braun a jeho student Otto Fischer v roce 1891. Metodika rozboru chůze se dodnes nezměnila. Brown a Fisher navíc jako první studovali hmotnost, objem a těžiště lidského těla (prováděním studií na mrtvolách) a získali data, která se již dlouho používají jako biomechanický standard. Navrhli také metodu pro stanovení hmotnosti segmentů těla a jeho objemu pomocí ponoření částí těla do vody. Byly tak získány údaje o změnách v těžištích souvisejících s věkem. Výzkum Browna a Fishera znamenal začátek nové éry v biomechanice - biomechaniky chůze a období od druhé poloviny 19. století začalo být nazýváno stoletím chůze .
Za tvůrce teoretického základu moderní biomechaniky - nauky o motorické činnosti lidí a zvířat - lze právem považovat Nikolaje Alexandroviče Bernšteina ( 1896 - 1966 ) [9] .
Bernsteinem vytvořená teorie víceúrovňového řízení pohybů včetně lidské lokomoce položila základ pro vývoj nových principů pro pochopení vitální činnosti organismu. Bernstein se zaměřením na problém aktivity organismu ve vztahu k prostředí spojil biomechaniku a neurofyziologii do jediné vědy o fyziologii pohybů [10] . Koncepce N. A. Bernsteina o motorické úloze jako mentálním základu lidského jednání otevřela cestu ke studiu vyšších úrovní vědomí v lidské motorické činnosti. Problematika tvorby, struktury a řešení motorické úlohy byla podrobena podrobnému vývoji. Tyto otázky se začaly uvažovat v úzké souvislosti se strukturou motorického složení akce jako systému pohybů [11] . Řada Bernsteinových prací se věnuje studiu dynamiky svalových sil a inervační struktury motorických aktů. Zavedl zásadní vylepšení v technice registrace a analýzy pohybů (kymocyklogram, cyklogrammetrie). Některé myšlenky, které Bernstein vyslovil ve 30. letech 20. století, předjímaly hlavní principy kybernetiky. Bernstein vlastní jednu z prvních jasných formulací konceptu zpětné vazby ve fyziologii, stejně jako myšlenku úrovňové organizace pohybů. Vzhledem k nedostatečnosti pojmu „reflexní oblouk“ pro vysvětlení motorických aktů zavedl Bernstein pojem „reflexní prstenec“, založený na výkladu celého systému vztahů mezi organismem a prostředím jako nepřetržitý cyklický proces.
V roce 1926 publikoval N. A. Bernstein na základě výzkumu v biomechanické laboratoři Ústředního institutu práce Obecnou biomechaniku jako první díl Základů výuky lidských pohybů. Je důležité poznamenat, že v učebnici „Fyziologie člověka“ [12] , vydané v roce 1946 (za redakce M. E. Marshaka), je již plně představeno učení N. A. Bernsteina o koordinaci pohybů, bez kterého si nelze představit moderní biomechanika [13] .
V posledních desetiletích provedl AS Vitenzon unikátní studie biomechaniky a neurofyziologie normální chůze a chůze u pacientů s různými onemocněními pohybového a nervového systému [14] . Na základě těchto studií předložil koncept kompenzace motorických defektů a regulace svalové aktivity při patologické chůzi [15] .