Биомеханика

Наука
Биомеханика (от др.-греч. βίος — жизнь, др.-греч. μηχανή — машина)
англ. Biomechanics
Предмет изучения	механика
Период зарождения	XV век
Основные направления	биофизика

Биомеханика (от др.-греч. βίος — жизнь, др.-греч. μηχανή — машина) — раздел биофизики, изучающий механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также происходящие в них механические явления. Термином Биомеханика ранее также называли отрасль эмбриологии — механику развития, чаще называемую экспериментальной эмбриологией.

История биомеханики

Начало исследованиям по Биомеханике было положено итальянским учёным Леонардо да Винчи, изучавшим движения человека с позиций анатомии и механики. Значительное влияние на развитие Биомеханики оказал итальянский натуралист Джованни Борелли, который является основателем науки биомеханики. Являясь профессором университетов в Мессине (1649) и Пизе (1656) он разрабатывал вопросы анатомии и физиологии с позиций математики и механики и показал, что движение конечностей и частей тела у человека и животных при поднятии тяжестей, ходьбе, беге, плавании можно объяснить принципами механики. Он рассматривал организм как машину и стремился объяснить дыхание, движение крови и работу мышц с позиций механики. В книге «О движении животных» (1680—1681) он даёт механический анализ движений звеньев тела человека и животных при ходьбе, беге, плавании.

Экспериментальное изучение ходьбы человека осуществили немецкие учёные Эрнст и Вильгельм Веберы в 1836 году, Вильгельм Браун и Отто Фишер в 1895 году, французский учёный Этьен Марей (1894), американские — Уоллес Осгуд Фенн (1935). Изучению механики живых тканей посвящены работы американских учёных Фрэнсиса Гейнора Эванса в 1957 году, Гарольда Фроста в 1964 году; Биомеханику дыхания исследовал американский учёный Клеменс в 1965 году, гемодинамику изучали его соотечественники Тейлор в 1953 году и Эттингер в 1964 году.

Развитие Биомеханики в России связано с работами по теоретической анатомии Петра Лесгафта в 1905 году и книгой Ивана Сеченова «Очерк рабочих движений человека» 1901 года, содержащей сводку важнейших биомеханических характеристик движений человека. Исследования по Биомеханике носили вначале прикладной характер и были направлены на рационализацию рабочего места, рабочей позы, формы инструмента, приёмов работы. Они базировались на методике циклографии и циклограмметрии. Создателем теоретической основы современной биомеханики — учения о двигательной деятельности человека и животных является Николай Бернштейн, который занимался детальными исследованиями локомоций человека. Им был проведён биодинамический анализ ходьбы здоровых людей, её эволюции у детей и стариков, а также бега, прыжков, марша.

Структура биомеханики

Обычно термин Биомеханика применяют к учению о движениях человека и животных. Однако в середине XX века границы исследований по Биомеханики расширились, появилась биомеханика дыхательного аппарата, биомеханика кровообращения и биомеханика движения:

• Биомеханика дыхательного аппарата — изучает его эластичное и неэластичное сопротивление, кинематику и динамику дыхательных движений, а также другие стороны деятельности дыхательного аппарата в целом и его частей (лёгких, грудной клетки)
• Биомеханика кровообращения — изучает упругие свойства сосудов и сердца, гидравлическое сопротивление сосудов току крови, распространение упругих колебаний по сосудистой стенке, движение крови, работу сердца (гемодинамика)
• Биомеханика движений — основываясь на данных анатомии и теоретической механики, исследует структуру органов движения, характер приложения мышечных сил, вызывающих движения в суставах, кинематику сочленений, распределение массы тела по его звеньям, закономерности движения этих звеньев и тела в целом, определяет характер, направление и значение действующих сил.

Биомеханическая характеристика движения составляется на основе данных структурного, кинематического и динамического анализа. При структурном анализе определяют количество степеней свободы кинематических цепей тела, их характер (открытые, замкнутые); кинематический анализ даёт характеристику движения (траектории, скорости и ускорения); динамический — выявляет картину взаимодействия внутренних и внешних сил.

Задача биомеханического исследования сводится к определению картины действующих сил по кинематическим характеристикам движения. Это позволяет оценить экономичность движения, степень использования как внешних, так и мышечных сил и судить о механизмах координации и регуляции движений. В этой части Биомеханика тесно соприкасается с физиологией движений. Другая задача биомеханического исследования — изучение отдельных положений тела (стояние, сидение). При этом определяют значения статических моментов, положение общего центра тяжести тела по отношению к опоре, степень устойчивости тела в данном положении, то есть, по существу, устанавливают и характер взаимодействия внутренних и внешних сил. Решение таких задач также связано с физиологией, с учением о положении и равновесии тела в пространстве.

Основные разделы биомеханики

Биомеханика делится на общую, дифференциальную и частную:

• Общая биомеханика — решает теоретические проблемы и помогает узнать как и почему человек двигается.
• Дифференциальная биомеханика — изучает индивидуальные и групповые особенности двигательных возможностей и двигательной деятельности. Изучаются особенности, зависящие от возраста, пола, состояния здоровья, уровня физической подготовленности, спортивной квалификации.
• Частная биомеханика рассматривает конкретные вопросы технической и тактической подготовки в отдельных видах спорта и разновидностях массовой физической культуры. Основной вопрос частной биомеханики – как научить человека правильно выполнять разнообразные движения или как самостоятельно освоить культуру движений.

Каждый раздел имеет три уровня изучения: движения — двигательные действия — двигательная деятельность. На первом уровне фактические данные для исследования движений добываются чаще всего в экспериментах с изолированными мышцами и другими частями тела. На втором уровне биомеханика изучает и совершенствует технику двигательных действий. Например, технику прыжка, удара. Третий уровень биомеханики посвящен тактике двигательной деятельности, которая в свою очередь является системой двигательных действий.

Методы исследования биомеханики

В исследованиях по Биомеханики используются разнообразные методы регистрации перемещений, скоростей, ускорений изучаемых движений. Наиболее употребительны оптические методы: ускоренная киносъёмка, циклография, кимоциклография. С их помощью определяют пространственные перемещения тела, перемещения его звеньев друг относительно друга, рассчитывают линейные и угловые скорости и ускорения, действующие силы. Используются в Биомеханике также методы электрической регистрации механических величин с помощью механотронов, датчиков угловых перемещений, опорных динамографов.

Практическое значение биомеханики

Исследования в области Биомеханики представляют существенный интерес для разных областей знаний: физиологии труда и спорта, военной и клинической медицины, в том числе неврологии, ортопедии, травматологии, протезирования. Так, изучение Биомеханики физических упражнений и спортивных движений способствует раскрытию основ мастерства и разработке научно обоснованной системы тренировки. Изучение рабочих движений человека даёт возможность оценить экономичность того или иного варианта движений и совершенствовать их структуру. Изучение прочности костей, суставов, связок, упруговязких свойств мышц и других тканей важно для травматологии и ортопедии, для понимания механизмов действия повреждающих факторов и предупреждения травм. Значительный интерес представляет Б. для протезирования, являясь основой конструирования протезно-ортопедических изделий. Многие характеристики опорно-двигательного аппарата используются при проектировании других технических систем (бионика). Так, данные о структуре и механизмах управления «живыми кинематическими цепями» со многими степенями свободы (например, рука, начиная от ключично-лопаточного сочленения, имеет тридцать три степени свободы, что обеспечивает возможность чрезвычайно разнообразных движений и поворотов) применяются при создании автоматов-манипуляторов и роботов, используемых в различных областях техники. Ряд биомеханических показателей состояния кровообращения и дыхания учитывают при диагностике и определении показаний к операциям на сердце и лёгких. Исследования Биомеханики дыхания и кровообращения использованы при создании аппарата «сердце — лёгкие».

Галерея

• Основоположники биомеханики
• 

  Леонардо да Винчи (1452—1519)

• 

  Джованни Борелли (1608—1679)

• 

  Эрнст Вебер (1795—1878)

• 

  Вильгельм Вебер (1804—1901)

• 

  Пётр Лесгафт (1837—1909)

• 

  Иван Сеченов (1829—1905)

• 

  Николай Бернштейн (1896—1966)

Литература

• Биомеханика / Большая Российская энциклопедия // научно-редакционный совет: председатель - Ю. С. Осипов и др. — Москва : Большая Российская энциклопедия, Т. 3: "Банкетная кампания" 1904 - Большой Иргиз. — 2005. — 766 с.
• Биомеханика / Большая советская энциклопедия // Глав. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — Москва : Сов. энциклопедия, Т. 3: Бари-Браслет. — 1970. — 640 с.
• Общая биомеханика: основы учения о движениях человека / д-р Ник. Бернштейн. — Москва : ЦИТ — ВЦСПС, 1926. — 416 с.
• Биомеханика / сост.: Д.С. Борщ, Г.Б. Шацкий. — Витебск : ВГУ имени П.М. Машерова, 2021 — 63 с. — ISBN 978-985-517-797-6.

Одним из источников этой статьи является статья в википроекте «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Биомеханика», находящаяся по адресам: «https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/Биомеханика» «https://znanierussia.ru/articles/Биомеханика». Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?»