ВНУТРЕННИЕ ОТНОСИТЕЛЬНО СИСТЕМЫ СИЛЫ

При биомеханическом исследовании движений человека рассмат­риваются обычно внутренние относительно его тела силы. Они возни­кают при взаимодействии частей биомеханической системы тела.

Внутренние силы механической системы — мера взаимодействия входящих в нее тел.

Внутренние силы нельзя мысленно рассматривать как приложен­ные к центру тяжести системы. Они не могут сами по себе изменять движение ОЦТ системы и ее кинетический момент.

Внутренние силы осуществляют притягивание и оттал­кивание внутри системы, между ее частями. В абсолютно твер­дом теле они попарно взаимно уравновешиваются. В системе внутрен­ние силы попарно не уравновешиваются, если приложены к разным частям системы (телам),— каждая производит свое действие.

К внутренним для тела человека силам относятся силы мышечной тяги и силы пассивного противодействия органов и тканей.

Силы мышечной тяги

Силы мышечной тяги приложены к звеньям кинематических це­пей внутри тела. Мышцы в своей активности всегда объединены в груп­пы. Силы тяги каждой мышцы изменяются. Поэтому изменяются и тяги отдельной группы мышц и тяги взаимодействующих групп мышц. Мышцы могут по ходу движения включаться в работу, выключаться из нее, а также, изменяя функцию, переходить из одной группы в дру­гую. Совместное действие мышц обеспечивает сохранение и направлен­ное изменение взаимного расположения звеньев.

Работа мышц — основной источник энергии движений человека (энергетическая функция). Мышцы, изменяя положение частей тела, обусловливают его воздействие на опору, среду и внеш­ние тела. Посредством мышечных тяг человек управляет движениями, используя внешние силы и остальные внутренние силы (управляющая функция).

Силы пассивного противодействия

Силы пассивного противодействия включают: опорные реакции в суставах и местах прикрепления мышц и связок, силы сухого и жидкостного трения, силы инерции при ускорениях звеньев, органов и тканей, а также упругие силы деформации упругих об­разований.

При передаче сил по кинематическим цепям в виде сил давления ко­стей друг на друга в суставах (вследствие воздействия веса частей тела и внешних тел, а также приложенных к костям тяг мышц и связок) воз­никают опорные реакции. Взаимное смещение органов и тканей при соприкосновении вызывает силы трения. К ним относятся и трение со смазкой (типа граничного и полусухого) и жидкостное трение как в жидких тканях и в прослойках между органами, так и в мягких тканях при их деформации (вязкость).

Вследствие деформаций тела человека возникают также упругие силы в пассивной части двигательного аппарата. Речь идет в первую очередь об упругих силах в связочном аппарате крупных суставов и соединений таких кинематических цепей, как позвоночник.

Все внутренние силы часто называют в отличие от внешних уси­лиями. В биомеханике усилиями именуют только си­лы мышечной тяги.

Динамические особенности в движениях человека

Роль сил в движениях человека

В классической механике изучается действие механических сил независимо от их источников, их происхождения. В биомеханике же существенно именно то, каковы источники сил и, следовательно, ка­кова «цена» используемой силы для организма человека. Все силы, при­ложенные к двигательному аппарату человека, в биомеханике принято рассматривать в качестве так называемого силового поля.

Различают внешнее силовое поле как совокупность всех внешних для человека сил и внутреннее — как совокупность внутренних сил.

Внешнее силовое поле проявляется как силы сопротивления. Их работа отрицательная; для ее пре­одоления затрачивается энергия движения и напряжения мышц чело­века. Различают рабочие и вредные сопротивления.

Преодоление рабочих сопротивлений составляет главную задачу движений человека (например, в преодолении веса штанги и заключа­ется цель движений со штангой).

Вредные сопротивления поглощают полезную работу; они в прин­ципе неустранимы (например, силы трения лыж по снегу).

Внешние силы используются человеком в его движениях и как движущие. Для совершения необхо­димой работы, для преодоления человеком сил сопротивления могут использоваться вес, упругие силы, инерционные и др. Внешние силы являются в этом случае «даровыми» источниками энергии, поскольку человек расходует меньше внутренних запасов энергии мышц.

Человек преодолевает силы сопротивления мышечными силами и соответствующими внешними и совершает как бы две части работы:

а) работу, направленную на преодоление всех сопротив­лений (л рабочих и вредных), и б) работу, направленную на сообщение ускорений своим органам движения и перемещае­мым внешним объектам.

В биомеханике сила действия человека — это сила воз­действия на внешнее физическое окружение, передаваемого через рабочие точки тела че­ловека.

Рабочие точки, соприкасаясь с внешними телами, передают движе­ние (количество движения, а также кинетический момент) и кинетиче­скую энергию (поступательного и вращательного движения) внешним телам. Сила действия человека может быть статической, если она уравновешена внешними силами, и динамической, если она вызывает соответствующие ускорения (положительные, отрица­тельные, тангенциальные, нормальные).

Задача движений, относящихся к спортивной технике, в самом об­щем виде заключается в уменьшении действия вред­ных сопротивлений и увеличении эффектив­ности силы действия человека с наилучшим использованием движущих сил — активных мышечных тяг и особенно сил, имеющих иные источники.

К числу тормозящих сил, входящих в сопротивления, относятся все внешние и внутренние силы, в том числе и мышечные. Какие из сил будут играть роль вредных сопротивлений, зависит от условий конк­ретного упражнения. Только реактивные силы — силы опорной реак­ции и трения — не могут быть движущими силами: они всегда ос­таются сопротивлениями — как вредными, так и рабочими.

Эффективность приложения сил в механике определяют по коэффиценту полезного действия (к. п. д.): отношению работы по преодоле­нию рабочих сопротивлений к работе движущихсил. Чем больше к. п. д., тем эффективнее движение.

При энергетических расчетах для оценки роли силы определяют мощность силы, характеризующую важную сторону ее эффекта — бы­строту выполнения работы.

Мощность силы — это мера быстроты приращения работы силы. Мощность силы определяется как отношение выполненной ра­боты к затраченному на эту работу времени:

N=A/Dt, где N — мощность; F — сила, совершающая работу; Ds — элемен­тарный путь; D_t— время, затраченное на преодоление пути Ds .

Внутреннее силовое поле включает и дви­жущие силы и сопротивления (как рабочие, так и вредные). В движениях человека движущие силы имеются не всегда (их может не быть в движениях по инерции), а тормозящие — всегда. В связи с тем что все движения в суставах характеризуются криволи­нейными траекториями, во всех случаях приложены отклоняющие (центростремительные) силы. От соотношения всех названных сил за­висят ускорения звеньев.

Как уже указывалось, движений человека без ускорений в прин­ципе не бывает. Следовательно, во всех движениях возникают силы инерции, направление которых противоположно направлению ускоре­ний. Силы инерции внешних тел относятся к внешним силам; силы инерции, вызываемые взаимодействием частей тела человека,— к внутренним. Чрезвычайное обилие сил инерции (реальных — ньютоновых) очень усложняет управление движениями и, конечно, их анализ. При рассмотрении составного движения кинематических цепей необ­ходимо учитывать также многочисленные переносные и поворотные силы инерции, возникающие в кинематических цепях. Следует постоянно помнить о вращательном характере движений: момент даже постоянной силы с изменением угла ее приложения изменяется.

Совместное действие сил

Внешние и внутренние относительно тела человека силы дейст­вуют на него совместно. Все эти силы независимо от их источника дей­ствуют как механические силы, изменяя механическое движение. В этом смысле они находятся в единстве, как материальные силы: мож­но производить при соблюдении соответствующих условий их сложе­ние, разложение, приведение и другие операции.

Внешние силы, действуя на тело человека, вызывают появление и изменение соответствующих внутренних сил. Это механические силы противодействия, в число которых входят обусловленные биологиче­скими факторами силы мышечной тяги.

Посредством внутренних сил мышечной тяги человек может вызы­вать своим действием появление и изменение внешних сил, управляя в известных пределах их воздействием на самого себя.

Силы мышечной тяги — единственные внутренние источники энер­гии человека. Только посредством этих сил человек может использо­вать все остальные силы и управлять движениями.

Движения человека представляют собой результат совместного действия внешних и внутренних сил. Внешние силы, как выражающие воздейст­вие внешней среды, обусловливают многие особенности движений. Внутренние силы, как единственные непосредственно управляемые человеком, обеспечивают правильное выполнение заданных движений.

По мере совершенствования движений становится возможным луч­ше использовать мышечные силы. Техническое мастерство проявляется в повышении удельного веса внешних и пассивных внутренних сил как движущих сил. При необходимости обеспечивается не только эконом­ность (сбережение сил), экономичность (высокий к. п. д. мышечных сил), но и высокий максимум мышечных сил и значительная быстрота дости­жения этого максимума при движении.