ПРЕДПОСЫЛКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ БИОМЕХАНИКИ

К предпосылкам возникновения биомеханики как самостоятельной науки относится накопление знаний в области физических и биологических наук, а также развитие техники,

Развитие физических знаний

Физика — наука о закономерностях наиболее общих форм движе­ния материи — возникла и достигла высокого уровня развития раньше, чем биология — наука о закономерностях жизни и развития живых организмов.

В Древней Греции во времена Аристотеля (384—322 гг. до н. э.) физикой называли вообще все первоначальные знания о природе. Аристотельпервый ввел термин «механика», описал рычаг и другие простейшие машины, пытался путем рассуждений найти причины дви­жений. Некоторые его представления (например, о зависимости ско­рости падения в пустоте только от веса тел, о необходимости постоян­ной силы для поддержания постоянной скорости), не подтвержденные опытом, были впоследствии опровергнуты. Намного долговечнее ока­зались работы Архимеда(287—212 гг. дон. э.), который заложил ос­новы статики и гидродинамики как точных наук. Они сохранили свое значение до нашего времени. Развитию механики после долгого застоя наук в средние века спо­собствовали исследования Леонардо да Винчи (1452—1519 гг.) по тео­рии механизмов, трению и другим вопросам. Примечательно, что этот великий художник, математик, механик и инженер впервые высказал важнейшую для будущей биомеханики мысль: «Наука меха­ника потому столь благородна и полезна более всех прочих наук, что, как оказывается, все живые тела, имеющие способность к движению, действуют по ее законам».

Общеизвестно, что важнейший раздел механики — динамика— был создан трудами гениальных ученых Галилео Галилея (1564— 1642 гг.) и Исаака Ньютона (1643—1727 гг.). Основные законы клас­сической механики описывают движение материальной точки и абстрактного абсолютно твердого тела2.

Из классической механики выделились и развиваются как само­стоятельные науки гидро- и аэромеханика, изучающие механику де­формируемого тела. Для решения задач биомеханики, связанных с де­формациями, большой интерес представляют сопротивление материалов и, особенно, реология (теория упругости, пластичности и ползучести).

Из кинематики, сложившейся как отдельный раздел механики лишь в начале XIX в., выделилась также важная для биомеханики область науки — теория механизмов и машин.

Биологические предпосылки биомеханики

Познания людей о строении тела начали накапливаться с древней­ших времен. К концу XVIII в. анатомия уже была сложившейся об­ластью научного знания. От нее стали отделяться другие отрасли биологических наук, в частности физиология. Началом создания физио­логии по праву считают работы в области кровообращения Вильяма Гарвея (1578—1657 гг.), формирование понятия о рефлексе Рене Де­карта (1596—1650 гг.) и исследования Джовани Борелли (1608— 1679 гг.) по механике движений живых организмов. Исследования Д. Борелли положили начало развитию биомеханики как отрасли науки.

При изучении строения и формы тела, а также их развития, есте­ственно, возникали вопросы об отправлении, функции органов и тка­ней. По мере углубления анатомических знаний все более развивался функциональный подход к изучению морфологии человека. Он про­явился особенно отчетливо в разработке функциональной анатомии органов движения, оказавшей большое влияние на становление биомеханики.

Расцвет физиологии и медицины в XIX в. был тесно связан с раз­витием идеи нервизма — направления научной мысли, приз­нающего ведущую роль нервной системы в управлении жизнедеятельностью высших организмов. Принцип нервизма был одним из главных, когда закладывались основы теории биомеханики.

Разработка методик изучения движений

Развитие биомеханики во многом зависело от разработки методик изучения движений. С ростом достижений в технике регистрации характеристик движений стал накапливаться обширный материал, по­служивший основой последующих теоретических обобщений в биоме­ханике.

Механические устройства

Повышение интереса к движениям человека в связи с бурным раз­витием естествознания и промышленности способствовало использо­ванию методов механики при изучении двигательной деятельности. В первую очередь начали применять простейшие устройства для определения положения центра тяжести тела человека (Д. Борелли, А. Базлер и др.). Более широко механические приспособления стали использовать братья В. и Э. Веберы (1836 г.), изучавшие ходьбу чело­века. Ж. Марей (80-е гг. 19 в.) предложил пневмографическую запись давления ноги на опору при помощи воздушных камер, находящихся в ботинках, с передачей давления воздуха по резиновым трубочкам. У многих механических приборов была невысокая точность измерений, наблюдались запаздывания. Поэтому в научных исследованиях они постепенно заменялись более совершенными — светохимическими и электротехническими. С распространением биомеханических иссле­дований в спорте (50—60-е гг. 20 в.) у нас в стране стали успешно при­меняться многие механические приборы (В. М. Абалаков), в частности динамографы, непосредственно связанныесо спортивными снарядами.

Светохимичесная регистрация

Большую роль в изучении движений сыграло открытие фотогра­фии. Вначале успешно делали только моментальные одиночныеснимки движений. Затем Э. Майбридж (1877 г.) получил последова­тельные автоматические снимки (всадник, скакавший на лошади вдоль ряда фотоаппаратов). Позднее стали применять многократную экспозицию на одну пластинку. Ж- Марей и Ж. Демепн разработали метод хронофотографии: вращающийся с постоянной скоростью перед объективом аппарата затвор-обтюратор (непрозрачный диск с равномерно расположенными прорезями позволял запечатлеть на неподвижной пластинке ряд последователь­ных поз через равные промежутки времени.

Метод хромофотографии далее развивался в двух направлениях. Первое преследовало цели более точного измерениядвижений. Марей сначала снимал на фоне черного бархата движущегося человека в черном бархатном костюме, на котором были нашиты бле­стящие полосы, обозначавшие оси и точки частей тела (см. рис. 1, б, в), Позднее в школе Марея заменили полосы светящимися точечными лам­почками накаливания, расположенными соответственно осям суставов. В подобном же направлении работали В. Брауне и О. Фишер, только вместо блестящих полос и точечных лампочек они применяли газосвет­ные лампы (гейслеровы трубки). Все эти усовершенствования позволяли повышать точность измерения движений. В дальнейшем хронофотография

была значительно усовер­шенствована Н. А. Бернштейном, разработавшим метод циклограмметрии. При помощи обтюратора на пластинке получают точечные траек­тории лампочек — циклограм­му (см. рис. 1г). По координатам точек на циклограмме вычисляют их перемещения, скорости и ускорения, а по массам и ускорениям звеньев рас­считывают приложенные силы. Одно­временная съемка несколькими аппа­ратами (предложенная еще В. Брауне и О. Фишером), точечные лампочки, высокая частота съемки (100 и более снимков в 1 сек.), рациональная обра­ботка ее материалов позволили Н. А. Бернштейну накопить обширнейший по тем временам материал (свыше 700 опытов циклосъемки ходьбы).

Рис. I. Светохимическая регистрация движений:

а)обтюратор; б— хронограммя бега (по Марею); в — костюм для хронофотографии (по Марею);

г— циклограмма лыжного хода (ориг.)

Еще В. Брауне и О. Фишер изучали массы и моменты инерции частей тела человека, кинематику его сочленений, условия работы мышц. Они использовали пространственные координаты, полученные при съемке, для решения уравнений движений человека. Но низкая частота съемки (несмотря на огромную точность измерения координат) и недостаточность математических методов не позволили тогда решить эту задачу.

Н. А. Бернштейн, значительно упростив подход к определению усилий (пренебрегая точным определением моментов инерции), впер­вые получил важные данные о чрезвычайной расчлененности, дробности характеристик движений и их сложнейшей взаимосвязи. С этих иссле­дований, по сути дела, и началась разработка теории биомеханики.

Второе направление развития хронографии преследовало цели вос­произведения движенийна экране. Оно привело к воз­никновению кинематографии, предшественницы современного кино. Марей сначала применял «фоторужье», в котором быстро сменялись одна за другой 12 пластинок. Более удобным оказалось использование негативной бумажной, а потом и целлулоидной ленты с применением обтюратора:в моменты, когда объектив закрыт сплошной частью диска обтюратора, лента продвигается на один кадр. Киносъемка с большой частотой (рапидная съемка) посредством проекции на экран с нормаль­ной частотой давала замедленное изображение («лупа времени»). Как и нормальная съемка, рапидная позволяла только рассмотреть, но не измерить движение.

Своего рода шагом назад в методике было постепенное распростра­нение киноциклографии. Используя точки, отмеченные на теле испытуе­мого, по кинопленке изготовляли промер — проекцию на один лист бумаги положений точек с ряда последовательных кадров. При кино­съемке в условиях соревнований опознавательные точки наносились приближенно, позднее, уже на промер. Естественно, точность опре­деления координат по сравнению с циклографией резко снизилась. Однако возможность снимать в условиях соревнований и обходиться без сложного оснащения испытуемого, простота съемочной аппара­туры давали большие преимущества по сравнению с циклографией. С помощью метода киноциклографии в течение 2—3 десятилетий в на­шей стране была изучена в основном техника почти всех видов спорта.

Дальнейшее повышение частоты съемки (рапидная и ультрарапидная киносъемка — сотни кадров в 1 сек.) при низкой точности опреде­ления координат точек позволяло получать очень ценный материал для наблюдений при относительно замедленной проекции, но не для изме­рений. Своеобразным вариантом хронофотографии явилась стробофотография: при съемке на одну пластинку (или пленку) многократная экспозиция достигается перерывом лучей на пути не от объектива к фотоаппарату, а от источника света (осветителя) к объекту съемки. Этот метод, очень эффективный при съемке быстротекущих процессов в технике, пока еще не принес существенной пользы в изучении движе­ний.

В целом метод светохимической регистрации, даже такой нестро­гий, как киноциклография, еще долго может быть ведущим в широкой практике. В научных исследованиях он свою положительную роль сыграл, позволив собрать данные для ряда теоретических обобщений. Однако современный уровень развития науки и техники выдвигает ряд более точных методов, основанных на использовании электротех­ники.