Сила превращает движение в ускорение

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 8

Сила является мерой векторной, т. е. характеризуется не только величиной, но и местом приложения и направлением действия. Графически сила изображается прямой линией (вектором), направление которой совпадает с направлением силы, длина выражает величину силы (в некотором выбранном заранее масштабе), а начало ее указывает на точку приложения силы.

Если на тело одновременно действует несколько сил, то их результирующая (равнодействующая сила) образуется путем геометрического суммирования составляющих.

Сила может быть:

— силой движущей, т.е. увеличивающей скорость данного движения, если движение и сила имеют одинаковое направление;

— силой тормозящей, т. е. уменьшающей скорость данного движения, если движение и сила имеют противоположные направления;

— силой «нейтральной», т. е. не изменяющей величины скорости в данном направлении, если движение и сила направлены под углом 90°. «Нейтральная» сила изменяет направление движения и абсолютную величину скорости в новом направлении сил.

Для осуществления вращательных движений необходимо действие пары сил, поэтому и вращение во всех суставах можно рассматривать как результат действия пары сил. В большинстве случаев одной силой в этой паре является мышечная тяга, а другой — то сопротивление, которое оказывает данной кости соседняя, сочленяющаяся с ней кость. Величина, характеризующая вращательное действие пары сил, называется вращающим моментом пары сил.

При вращательных движениях лопатки, головы, нижней челюсти, позвоночного столба обе силы в паре сил представлены в значительной мере мышечной тягой.

Законы механики — законы Ньютона.

1-й закон Ньютона ( закон инерции ) гласит: всякое тело продолжает сохранять свое состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока приложенные внешние силы не изменят это состояние. Таким образом, для того чтобы тело двигалось с положительным или отрицательным ускорением, на него должны действовать другие тела. Свойство сохранять покой или постоянную скорость при отсутствии действия внешних сил называется инерцией.

2-й закон Ньютона устанавливает количественную связь между приложенной к телу силой и изменением движения. Согласно этому закону, изменение движения (или ускорение) прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе тела

3-й закон Ньютона указывает на то, что всякое действие тела А на тело Б сопровождается возникновением ответного действия тела Б на тело А. Этот закон гласит: действию всегда соответствует равное ему и противоположно направленное противодействие, т. е. силы, с которыми два тела действуют друг на друга, всегда равны и направлены по одной прямой в противоположных направлениях.

Перемещение тел в пространстве есть результат их взаимодействия. Основные формы механического взаимодействия тел в природе — это взаимное притяжение и взаимное отталкивание, в результате которых тела или приближаются друг к другу или удаляются друг от друга. Движения человека есть также результат его взаимодействия с окружающим его материальным миром. Основными способами передвижения самого человека или перемещения им других тел также являются отталкивание и притягивание.

Если же взаимодействуют два тела разной массы, то их движения не будут сходными, ускорения, скорости, запас кинетической энергии у каждого из взаимодействующих тел будут обратно пропорционально массам.

Необходимо обратить внимание еще на одно проявление 3-го закона Ньютона, которое получило название реакции опоры. Когда тело давит на опору, то вызывает ее деформацию.

При этом возникают противоположно направленные силы, силы упругости, стремящиеся приостановить деформацию. Когда сила давления и сила реакции опоры становятся равными друг другу, тело перестает «погружаться» в опору. Таким образом, с механической точки зрения стойка человека (или вис на кольцах и т. п.) является выражением равновесия силы тяжести его тела и силы реакции опоры. Реакция опоры, оказываемая костями скелета действию силы тяжести и тяге мышц, играет важную роль в работе двигательного аппарата человека.

При непосредственном соприкосновении тел, помимо сил упругости, вызванных деформацией, всегда возникают силы трения. Силы трения препятствуют движению трущихся тел одного относительно другого или препятствуют самому возникновению этого движения.

Силы трения: а) — препятствуют движению; б) — скольжения

Законы общей механики могут быть применены для точного описания отдельных элементов системы движений человека. Но область применения их в данном случае ограничена теми специфическими особенностями, которые отличают живые системы от неживых.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ ДВИЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА. Движение человека — сложный двигательный акт, осуществляемый посредством взаимодействия человека с окружающей средой.

Анализ движений человека опирается на три крупные науки: анатомию человека, физиологию человека и механику материальных тел.

Анатомия аппарата движения (строение и функция костей, суставов и мышц). Дает сведения о двигательных возможностях человека.

Физиология раскрывает закономерности деятельности органов движения.

Механика учитывает законы, по которым движения осуществляются.

Движения человека, как и положения, в которых он может находиться, очень разнообразны. Они классифицируются по различным признакам.

Простые движения — это движения отдельных частей тела в одном суставе, вокруг одной оси вращения.

Сложные движения — это движения целостных кинематических цепей (верхних конечностей или нижних конечностей), происходящие одновременно в нескольких суставах, вокруг нескольких осей вращения, или движения всего тела.

Симметричные движения — это движения, при которых правая и левая половины тела выполняют одновременно или разновременно одни и те же действия (ходьба, прыжок). При асимметричных движениях обе половины тела выполняют разные действия (метания, толкания).

Цикличные движения — это движения, которые состоят из периодически повторяющихся друг за другом движений в одной и той же последовательности (ходьба, бег, стильное плавание и др.)

Ациклические движения представляют собой один законченный сложный двигательный акт, в котором нет периодически повторяющихся циклов движений.

Сила тяжести и общий центр тяжести человека Человек находится в непрерывном взаимодействии с окружающим его материальным миром и испытывает на себе действие внешних сил: так он постоянно испытывает на себе действие силы земного притяжения, или силы тяжести.

Сила тяжести — это вес тела. Направление силы тяжести постоянное — вертикально вниз. Каждая частица тела обладает весом. Сила тяжести при падении тела вызывает ускорение g, равное около 9, 8 м/сек².

При движении вниз сила тяжести является силой движущей, при движении вверх — тормозящей, при движении по горизонтали — «нейтральной».

Сила тяжести человеческого тела действует в вертикальном направлении, что резко сказалось на форме и строении скелета, его соединениях и мышечной системе. Этот же фактор создал и предрасположение к таким специфическим для человека болезням, как искривление позвоночника, плоскостопие, опущение брюшных внутренностей и т. и.

У человека сила тяжести является постоянным раздражителем рецепторного и вестибулярного аппаратов, обеспечивающих координацию движений и сохранение определенной позы. В космосе сила тяжести отсутствует, наступает состояние «невесомости», при котором обычные для человека движения трудно совершать.

Изучение механики живого тела человека начинается с определения центра его тяжести.

Движение человека в пространстве в значительной степени обусловлено расположением центра тяжести тела. Каждая часть тела обладает собственным центром тяжести; объединяясь, они формируют общий центр тяжести тела (ОЦТТ).

Положение центра тяжести зависит от физических особенностей человека — его осанки, телосложения, половых и возрастных различий (развития мускулатуры, массивности костяка, жироотложения и пр.). У детей центр тяжести располагается выше, чем у взрослых; у тяжелоатлетов ниже, чем у гимнастов, и т. д. Тело устойчивее, чем ниже расположен центр его тяжести. Чем длиннее ноги, тем выше центр тяжести и менее устойчиво тело, поэтому отношение их длины к туловищу имеет определенное значение при трудовых процессах, которые связаны с откидыванием (качанием) туловища назад. Такие движения имеют наибольший производственный эффект у длинноногих людей.

У человека центр тяжести находится по вертикальной оси на 1-3 см ниже мыса крестца. У мужчин и женщин центр тяжести тела располагается различно — у мужчин он располагается выше, чем у женщин, что зависит от возраста, развития мускулатуры, костной основы и жирового слоя.

Положение общего центра тяжести: а — у мужчин; б — у женщин

Отвесная линия центра тяжести проходит через все тело. Отвесная линия центра тяжести головы находится ¹/₂см впереди фронтальной оси атлантозатылочного сустава (голова стремится опрокинуться вперед, чему препятствует напряжение затылочных мышц), затем линия опускается в грудную полость, проходит впереди верхнего края тела X грудного позвонка, затем пересекает тело II крестцового позвонка и проецируется на 5 см позади оси тазобедренных суставов при этом туловище стремится опрокинуться назад, но удерживается благодаря сокращению четырехглавого мускула бедра. Расположение центров тяжести

Отдельных частей тела

Отвесная линия центра тяжести в области колена проходит впереди фронтальной оси сустава и заканчивается на 3-4 см впереди от голеностопного сустава.

Вертикальное положение и передвижение человека не очень устойчивы. Это объясняется тем, что центр тяжести находится сравнительно высоко, а площадь опоры не так велика, чтобы при всех положениях тела можно было постоянно сохранять устойчивое равновесие. Для сохранения равновесия значительную роль играют скорость, последовательность сокращения мышц, которые изменяют положение головы, туловища или конечностей, что влияет на положение общего центра тяжести.

Местоположение общего центра тяжести меняется в зависимости от различных движений, сообразно перемене положений отдельных частей тела.

а) Изменение центра тяжести тела и точки опоры при сидении 1 – правильном и 2) – неправильном; 1б – правильное сидение; 2б - неправильное сидение за столом

Равновесное стояние — сложный акт сохранения равновесия. Чтобы тело человека сохранило равновесие, необходимо равновесие внешних сил, действующих на тело. К ним относятся сила тяжести и сила реакции опоры. От смещения центра тяжести вверх или вниз над площадью опоры, ближе или дальше от ее границ зависит устойчивость равновесия Центр тяжести (ЦТ) человека должен проектироваться на опору, и, чтобы он не смещался, суставы должны быть закреплены в неизменном положении мышцами. Однако некоторое смещение центра тяжести неизбежно вследствие непрерывного движения крови по сосудам, изменения объема грудной клетки в процессе дыхания и объема работающего сердца. Постоянно протекающие процессы в организме вызывают непрерывное перераспределение тонуса мышц для поддержания равновесия. Изменение тонуса мышц осуществляется рефлекторно. Раздражителем служит давление на опору, воспринимаемое рецепторами кожи подошвы, а также проприорецепторами (заложенными в мышцах, связках, сухожилиях и суставных сумках) и вестибулярным аппаратом.

Равновесное стояние

Запись пути движения головы на кимографе показала, что в положении стоя происходит непрерывное колебание тела. Из области патологии известен пример, когда человек, лишенный чувствительности рецепторов кожи — стопы, не мог стоять с закрытыми глазами. Больному казалось, что под ногами пропасть, что у него нет опоры, и человек падал.

Механизм сохранения равновесия таков: раздражители окружающего внешнего мира действуют на воспринимающие приборы человека — рецепторы; последние под влиянием раздражителей возбуждаются. Волны возбуждения бегут по чувствительным нервам, связывающим рецепторы с центральной нервной системой, к мозгу. В соответствующих нервных центрах возникает возбуждение, происходит переработка волн возбуждения и передача их на двигательные нейроны, несущие импульсы к соответствующим мышцам. Изменение напряжений мышц, окружающих сустав, вызывает движение звена, а, следовательно, перемещение общего центра тяжести человека, которое, в свою очередь, является источником раздражения проприорецепторов, находящихся в этих мышцах. От возбужденных проприорецепторов импульсы бегут в центральную нервную систему, вызывая новые сигналы, направленные от мозга к мышцам, и т. д. Поток импульсов, подобно электрическому току, начинает циркулировать как бы в замкнутом рефлекторном кольце, обеспечивая непрерывное поддержание звеньев тела в нужных для осуществления равновесия положениях.

Центральная нервная система в данной позе непрерывно корригирует малейшие смещения частей тела, могущие вызвать нарушение равновесия. Это «функциональное кольцо», как правило, замыкается на низших уровнях центральной нервной системы (средний, промежуточный, продолговатый, спинной мозг).

Управление осознанными движениями осуществляется в коре головного мозга.

Устойчивость равновесия определяется положением отвесной линии, опущенной из центра тяжести тела— вертикаль тяжести, которая проецируется на площадь опоры — подошвенную поверхность обеих стоп и расположенного между ними пространство. При вертикальном положении тела эта линия должна проходить в пределах площади опоры. Если она окажется за пределами последней, тело падает.

Равновесие тем устойчивее, чем ниже располагается центр тяжести (то есть чем он ближе к площади опоры), чем ближе к центру опорной площади вертикаль, проведенная из центра тяжести, чем больше размеры площади опоры.

Размеры опорной площади могут быть увеличены, если расставить ноги. Это усиливает устойчивость равновесия. Если стоять на одной ноге или на носках, площадь опоры — уменьшается, соответственно теряется устойчивость равновесия.

Равновесие человеческого тела, подчиняясь законам физики, устойчивее, чем больше площадь опоры и чем центральнее проецируется вертикаль тяжести. Равновесие нарушается сразу же, как только эта вертикаль выносится за пределы площади опоры.

Для удержания тела в вертикальном положении главное значение имеют живые механизмы: скелет и мышцы, противодействующие силе тяжести. Соединения звеньев тела, суставы, действуют на фронтальные оси силе тяжести, вызывая сгибание или разгибание частей тела.

Расположение общего центра тяжести при различных видах стояния:

1 — при напряженном; 2 — при антропометрическом; 3 — при спокойном

В напряженном положении «смирно» в отличие от положения «вольно» тело подается вперед. Вследствие этого вертикаль тяжести проходит впереди не только коленных и голеностопных, но и тазобедренных суставов и достигает площади опоры вблизи ее передней границы.Чтобы предохранить тело от падения, мышцы, расположенные позади поперечных осей этих суставов, должны находиться в непрерывном напряжении. Особенно велика работа большой ягодичной мышцы, удерживающей в тазобедренном суставе своим напряжением туловище от падения вперед. В нижерасположенных суставах условия сохранения равновесия те же, что и при положении «вольно». Но так как в положении «смирно» вертикаль тяжести в большей мере отклонена вперед от коленных суставов, чем в положении «вольно», то для укрепления этих суставов уже недостаточно работы только икроножной мышцы, необходимо напряжение мышц задней группы бедер.

При стоянии человек сравнительно редко равномерно опирается на обе ноги. Симметричный тип стояния очень утомителен, так как требует напряжения большого числа мышц на обеих сторонах тела. Обычно люди предпочитают асимметричное стояние, нагружая одну ногу сильнее другой. При этом таз наклоняется, а поясничный отдел позвоночника изгибается в сторону менее нагруженной конечности, центр тяжести смещается, но его вертикаль остается в пределах опорной стопы. Большая часть мышц ненагруженной стороны при асимметричном типе стояния расслаблена.

Ходьба — это одно из основных состояний тела в динамике. Она представляет собой сложное поступательное движение, в котором нарушение равновесия тела чередуется с его восстановлением. Ходьба состоит из попеременной опоры тела то на обе ноги (фаза двойной опоры), то на одну (фаза переднего и заднего шага).

Схема фаз ходьбы

Таким образом, при ходьбе тело не теряет соприкосновения с опорной поверхностью, что отличает ходьбу от других локомоторных движений (например, бега). Начинается ходьба с выведения вертикали тяжести за переднюю границу площади опоры, вследствие чего теряется равновесие. Одна из ног сокращением передних групп мышц бедра и голени выносится вперед для создания новой площади опоры, тело же от падения удерживается напряжением большой ягодичной мышцы другой, опорной, ноги. Когда вынесенная вперед нога соприкоснется с опорной поверхностью (пяткой), кончается фаза переднего шага и наступает фаза двойной опоры. Теперь начавшееся поступательное движение тела продолжается в силу инерции и благодаря отталкиванию от земли второй, оставшейся позади ногой; так начинается третья фаза заднего шага. Отталкивание производится сначала пяткой, которая отрывается от земли в результате сокращения трехглавой мышцы голени, после чего носком, отрывающимся благодаря сокращению длинного сгибателя большого пальца. Тело, испытавшее новое поступательное движение, снова оказывается выведенным из равновесия, в результате чего сокращением сгибателей тазо-бедренного сустава «задней» ноги последняя переносится вперед. После того как переносная нога пройдет мимо опорной (момент вертикали), она вступает в фазу нового переднего шага.

Как видно из всего сказанного, помимо поступательного движения вперед, при ходьбе происходит также движение в той же сагиттальной плоскости вертикально вверх и вниз благодаря «перекатыванию» стопы с пятки на носок. Кроме того, перемещение происходит еще и во фронтальной плоскости. Оно осуществляется в тазобедренном суставе опорной ноги вследствие сокращения отводящих мышц (средней и малой ягодичных). Благодаря этому туловище отводится в сторону опорной ноги, поднимает двигающуюся ногу над землей и не дает ей волочиться, как это наблюдается у стариков с ослабленной мускулатурой.

Бег. Основное отличие бега от ходьбы заключается в отсутствии периода двойной опоры тела на ногу, уже вынесенную вперед, и на «заднюю», еще не оторванную от земли. Более сильное отталкивание тела «задней» ногой замещает момент двойной опоры тела периодом полета его в воздухе.

Схема бега

Толчки при ходьбе, а особенно при беге и прыжках доходят до внутренних органов и головного мозга резко ослабленными. Это объясняется способностью нижних конечностей и особенно позвоночника пружинить. Изгибы позвоночника и межпозвонковые диски способствуют плавности движения тела.

Например, любое движение человека по земле порождает и силу реакции опоры; взаимодействие птицы с воздушной средой порождает силу реакции (сопротивление) воздуха, взаимодействие рыбы с водой порождает силу реакции воды. Эта сила и обусловливает перемещение тел в данной среде.

Знание законов механики помогает правильно оценить условия для механического перемещения тела. Например, наклон пола на сцене предъявляет особые требования и к позе и к самому движению танцора, так как изменяет условия действия внешних сил на человека; одни и те же упражнения у палки отличаются от упражнений на середине по трудности в силу механических причин (разных условий опоры).

Движение живых существ и, прежде всего, человека представляет сложное явление, в котором взаимодействие человека с окружающими телами совершается рефлекторно.

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДВИЖЕНИЯ. Природа и характер организации силовых взаимодействий разных частей двигательных систем друг с другом и окружающей средой; координационные схемы и принципы построения движений; энергетика двигательных актов все это является основными задачами и исследования биомеханики движений.

Функционально наиболее простыми являются позные движения, обеспечивающие поддержание позы и неподвижного положения организма в пространстве, а также локомоторные движения, обеспечивающие пространственное перемещение организма.

В отличие от технических конструкций и сооружений, устойчивость которых обычно пассивна и статически равновесна, позы животных и человека, за немногим исключением, являются активными и динамически равновесными.

Разные позы можно классифицировать по числу точек опоры k, которых может насчитываться 0, 1, 2, 3... п.

Статически устойчивыми называются позы (k-позы) при k≥ 3, если центр тяжести организма в проекции на плоскость опоры находится внутри опорного многоугольника или треугольника (при k=3 ).

Существуют три формы локомоций: водная — плавание, осуществляемое за счет гребных движений плавников или конечностей, волнообразных движений тела или с помощью реактивных движений;

Водные локомоции — плавание

сухопутная (ползание, ходьба, бег и прыжки) — осуществляется посредством конечностей и воздушная локомоция (полет), осуществляемая с помощью крыльев.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78