Баранова Т.П._Основы биомеханики

Министерство образования и науки Красноярского края
КГАОУ СПО «Канский педагогический колледж»
Основы биомеханики
Методические указания к практическим занятиям
Специальность 050141 – «Физическая культура»
Канск 2012
Автор-составитель: Т.П. Баранова, преподаватель КГАОУ
СПО «Канский педагогический колледж»
Рецензент: В.П. Живаев, кан. физ.-мат. наук, доцент кафедры
технологии и предпринимательства, доцент кафедры физики
ИМФИ ФГБОУ ВПО КГПУ им. В.П. Астафьева
Основы
биомеханики:
методические
указания
к
практическим занятиям / сост. Т.П. Баранова; рец. В.П. Живаев;
КГАОУ СПО «Канский педагогический колледж». Канск, 2012. –
32 с.
В данных методических указаниях представлены краткие
теоретические,
справочно-информационные
материалы,
контрольные вопросы, упражнения к каждому практическому
занятию, предложен перечень литературы. Материалы помогут
студентам колледжа при подготовке к практическим занятиям по
дисциплине, а так же при выполнении самостоятельной работы.
Методические указания предназначены для специальности
050141 «Физическая культура» по ОП. 07 «Основы биомеханики».
© КГАОУ СПО «Канский
педагогический колледж»
2
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1
Тема: Кинематика движений человека
(наименование темы)
Продолжительность 2 часа
Учебная
и
воспитательная
цель:
Изучить
биомеханические характеристики, позволяющих описывать
движение
живых
существ;
развить
аналитические
способности студентов.
Краткие
теоретические,
справочноинформационные
материалы
по
теме
занятия.
Кинематические характеристики биообъекта – это величины,
описывающие положение и движение объекта в пространстве
во времени. В связи с этим выделяют пространственные,
временные и равновесие, пространственно-временные
характеристики.
При описании периодически повторяющихся движений
живых существ важно знать: темп, ритм, фазу движения,
длительность цикла движения.
Перечень вопросов для самоконтроля
1. Кинематические биомеханические характеристики
человека.
2. Временные характеристики.
3. Пространственные характеристики.
4. Пространственно-временные характеристики.
5. Расчет линейных скоростей точек при выполнении
движений по промеру.
6. Средства и методы регистрации пространственных
характеристик.
7. Средства и методы регистрации временных
характеристик.
8. Промер и его построение по заданным координатам.
3
Методика счета линейных скоростей точек при
выполнении движений по промеру.
10. Методика построения промеров по заданным
координатам точек.
11. Методика расчета линейных ускорений точек при
выполнении движений по промеру.
12. Небольшое тело брошено под углом
к горизонту с
начальной скоростью
. Пренебрегая сопротивлением
воздуха, найти:
а) дальность полета;
б) наибольшую высоту подъема;
в) время подъема до максимальной точки и время
полета;
г) уравнение траектории полета.
13. Найти центростремительное ускорение точек колеса
автомобиля, соприкасающихся с дорогой, если
автомобиль движется со скоростью 72 км/ч и при этом
частота вращения колеса 8 с-1.
14. Диск радиусом 10 см при вращении делает 1 оборот за
1 с. Найти скорость точек, наиболее удаленных от оси
вращения.
Практические задачи, задания, упражнения
1. Гальвано делал следующий опыт. Соединив две
проволоки из различных металлов, он концом одной из них
касался лапки свежепрепарированной лягушки, а концом
другой – поясничных нервов; при этом мускулы лапки
судорожно сокращались. Объясните это явление.
2. Зубы человека состоят из твердого вещества –
дентина, а поверхность их покрыта слоем еще более твердой,
но хрупкой эмали. Почему зубы портятся, если после горячей
пищи принимать холодную и наоборот?
3. Почему нам жарко уже при температуре +25С , хотя в
это время воздух значительно холоднее нашего тела?
4. Как известно, куры с наступлением сумерек совсем
перестают видеть, а совы, наоборот, видят только в это время.
Почему?
9.
α
0
4
5. Если
наблюдать
за
находящимися
в
воде
водоплавающими птицами, то можно заметить, что они мало
погружаются в воду. Объясните почему?
Задания студентам для самостоятельной работы
О проблеме соотношения физики и биологии.
Основные направления использования знаний по биофизике.
Перечень вопросов для самоконтроля
 Какие естественнонаучные дисциплины вам известны?
Что изучают эти дисциплины?
 Знания каких научных дисциплин входит в биофизику?
 Почему пришло считать, что биофизика – отрасль
биологических знаний?
 Охарактеризуйте основные уровни организации живого
организма.
 Перечислите отличительные признаки биофизики как
науки.
 Какие направлении взаимосвязи физики и биологии
прослеживаются в биофизике? Приведите примеры этих
направлений взаимосвязи.
 Приведите известные вам примеры связи биофизики с
другими науками.
 Назовите известных вам ученых – биологов и физиков,
внесших вклад в развитие биофизики.
 Приведите примеры прикладного и фундаментального
значения биофизики.
 Объясните, почему современная биофизика развивается
в направлении познания микроструктуры материи.
5
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 2
Тема: Динамика движений человека
(наименование темы)
Продолжительность 2 часа
Учебная
и
воспитательная
цель:
Изучить
биомеханические характеристики, позволяющих описывать
движение
живых
существ;
развить
аналитические
способности студентов.
Краткие теоретические, справочно-информационные
и т.п. материалы по теме занятия. В отличие от
кинематических характеристик, динамические невозможно
оценить по внешней картине движений. При оценке
динамических биомеханических характеристик всегда
требуются измерительные приборы и оборудование.
Динамические характеристики раскрывают сущность
возникновения движения, позволяют установить причинно –
следственные связи сложных механизмов формирования
движений биообъектов и определить оптимальные пути
овладения, совершенствования и исправления движения.
Причиной возникновения движения биообъекта является
взаимодействие, которое возникает в самом объекте, или
взаимодействие объекта с другими объектами.
Мерой взаимодействия является сила. Действие силы
приводит к ускоренному движению объекта. Ускорение,
приобретаемое биообъектом, пропорционально действующей
силе и обратно пропорционально инертности тела. Из физики
известны основные законы для поступательного и
вращательного движения тел. Эти законы справедливы и для
биообъектов. Математическая формулировка их следующая:
a=
F
m
β=
,
M
j
, где
F
– сила,
m
– масса,
M
– момент
силы,
– момент инерции.
Чтобы определить ускорение тела биообъекта при
j
6
поступательном движении, достаточно знать величину силы
и массы. При вращательном движении ситуация сложнее. Вопервых, инертность вращающегося тела определяется не
только массой, а моментом инерции. Во-вторых, эффект
действия силы в этом случае зависит не только от ее
величины, но и от места приложения. Чем длиннее плечо, тем
больше момент силы или вращательный момент.
Поскольку ускорение есть изменение скорости в
единицу времени, то значение изменения скорости для
поступательного движения:
движения:
Δω=
Δϑ=
M⋅ Δt
j
, а для вращательного
M⋅ Δt
j
Тогда количество движения биообъекта зависит не
только от величины силы, но и от продолжительности
действия.
Можно
выделить
еще
две
биомеханические
характеристики: импульс силы и импульс момента силы:
ΔP = F  Δt
, ΔK = M  Δt , где Δt – интервал времени от
начала до конца действия силы.
Практические задачи, задания, упражнения
Движение с постоянной скоростью 1.1–1.6.
Ускоренное движение 1.12–1.17.
Движение тела, брошенного под углом к горизонту 1.27–1.32.
Движение по окружности 1.38–1.44.
Задания студентам для самостоятельной работы
Движение с постоянной скоростью 1.7-1.10
Ускоренное движение 1.18–1.23.
Движение тела, брошенного под углом к горизонту 1.33–1.37.
Движение по окружности 1.45–1.50
Перечень вопросов для самоконтроля
1. Динамические биомеханические характеристики тела
человека.
7
2. Сила и момент силы.
3. Силы внешние относительно тела человека.
4. Силы действия среды.
5. Силы трения.
6. Силы тяжести и вес тела. Силы реакции опоры.
7. Средства и методы регистрации динамических
характеристик.
8. Импульс силы и импульс момента силы.
9. Инерционные характеристики.
10. Динамические особенности в движениях человека.
11. Определить
величину
выталкивающей
силы,
3
действующей на пловца в воде, если его объем 0,1 м .
12. С какой максимальной скоростью может ехать
мотоциклист по горизонтальной плоскости, описывая дугу
радиусом 100 м, если коэффициент трения резины о почву
0,4. На какой угол от вертикального положения он при этом
отклонится?
13. Спортсмен массой 60 кг падает на мат с высоты 4 м. С
какой силой действует на него мат, если его прогиб равен 0,5
м.
14. Шайба, пущенная на поверхности льда с начальной
скорость 20 м/с, остановилась через 40 с. Найти коэффициент
трения шайбы.
15. Велосипедист, прекратив работать педалями на
горизонтальном участке пути длиной 36 м, уменьшил свою
скорость с 10 до 8 м/с. Найти коэффициент сопротивления.
8
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 3
Тема: Механическая работа и энергия при движениях
человека
(наименование темы)
Продолжительность 2 часа
Учебная
и
воспитательная
цель:
Изучить
энергетические
биодинамические
характеристики,
позволяющие описывать движение живых существ; развить
аналитические способности студентов.
Краткие
теоретические,
справочноинформационные и т.п. материалы по теме занятия.
Любой живой организм обладает энергией и способен
совершить работу.
Энергия есть единая форма движения и взаимодействия
материальных объектов, а работа мера изменения
энергетического состояния объектов. Человек создал машины
и механизмы, которые совершают механическую работу за
счет различных физических процессов. Механическая работа
совершается мышцами человека за счет происходящих в них
химико-физических явлений. Таким образом, механическую
работу можно рассчитать по формуле:
Механическая энергия может быть кинетической и
потенциальной. Кинетическая энергия – энергия движения,
потенциальная энергия взаимодействия. Совершаемая живым
организмом работа осуществляется за счет изменения этих
энергий. Кинетическая и потенциальная энергии при
поступательном и вращательном движении определяется по
A=F⋅ ΔS
Ek
m⋅ ϑ 2
2
E b=
j⋅ ϖ 2
2
формулам: E = m  g  h ,
,
.
Полная энергия движущегося биообъекта, согласно
теореме Кенига, равна сумме его потенциальной энергии и
кинетической энергии при поступательном и вращательном
п
9
E=m⋅ g⋅ h+
m⋅ ϑ 2
j⋅ ϖ 2
+
2
2
движениях:
.
Для оценки эффективности использования организмом
энергии
вводится
коэффициент
эффективности
использования метаболической энергии. Коэффициент
метаболической энергии – это отношение количества
метаболической энергии, выделяемой в единицу времени к
T=
A
N
⋅ 100= ⋅ 100
E
V
скорости ее расходования:
, где Е –
количество метаболической энергии,
– скорость
расходования энергии, N – количество метаболической
энергии выделяемой в единицу времени.
Для оценки эффективности движения биообъекта
вводится понятие энергетическая стоимость метра.
Энергетическая стоимость метра – это биомеханическая
величина
численно
равная
отношению
скорости
расходования энергии организмом к скорости его движения.
V
P=
V
ϑ
, где V -скорость расходования энергии,
объекта.
ϑ
– скорость
Практические задачи, задания, упражнения
Работа, мощность 1.116–1.121.
Энергия 1.127–1.133.
Законы сохранения для системы материальных точек 1.143–
1.149.
Упругие и неупругие столкновения 1.167–1.173.
Момент силы, момент импульса, момент инерции 1.195–
1.204.
Уравнения моментов 1.208–1.213.
Закон сохранения момента импульса 1.223–1.238.
Упругие и неупругие соударения 1.223–1.238.
10
Задания студентам для самостоятельной работы
Работа, мощность 1.122–1.126.
Энергия 1.134–1.139.
Законы сохранения для системы материальных точек 1.150–
1.155.
Упругие и неупругие столкновения 1.174–1.179.
Момент силы, момент импульса, момент инерции 1.205–
1.207.
Уравнения моментов 1.217–1.202.
Закон сохранения момента импульса 1.230–1.232.
Упругие и неупругие соударения 1.239–1.243.
Перечень вопросов для самоконтроля
1. Энергетические биомеханические характеристики
2. Определить, какую среднюю мощность развивает
спортсмен при разбеге на 100 м, если средняя сила,
затраченная им 75 Н, а время забега 10 с.
3. Определить мощность, развиваемую штангистом при
рывке штанги в 100 кг на высоту 2 м, считая время,
затраченное на рывок, равным 2 с, а к.п.д. его мышц – 40%.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 4
Тема: Движения вокруг осей
Продолжительность 2 часа
Учебная
и
воспитательная
цель:
Изучить
биодинамические характеристики, позволяющие описывать
движение
живых
существ;
развить
аналитические
способности студентов.
При вращательном движении относительно оси
инертность человеческого тела зависит не только от массы,
но и от позы, поэтому при оценке движения используют
закон сохранения момента импульса. Суммарный момент
11
импульса системы сохраняется при любых процессах,
происходящих в этой системе: j  ω = j  ω .
Количественной
мерой
инертности
тела
при
вращательном движении является момент инерции тела. Это
величина определяется по формуле: j = m  R , где R – радиус
инерции или среднее расстояние от оси вращения до
материальных точек тела.
1
1
2
2
2
Рекомендации студентам
занятию с указанием литературы
по
подготовке
к
Практические задачи, задания, упражнения
1. Фигурист вращается, делая 6 об/с. Как изменится
момент инерции фигуриста, если он прижмет руки к груди и
при этом частота вращения станет 18 об/с?
2. Почему человек, несущий груз на спине, наклоняется
вперед?
3. Почему трудно стоять на одной ноге?
4. Почему при ходьбе люди размахивают руками?
5. В каком положении человек устойчивее, когда он сидит
или когда стоит? Почему?
6. Почему утки и гуси ходят переваливаясь с ноги на ногу?
7. Почему вытянутой рукой нельзя удержать такой же груз,
как согнутой?
Задания студентам для самостоятельной работы
1. Начертите вид траектории центра тяжести человека при
ходьбе на лыжах в системе отсчета, жестко связанной с
лыжней.
2. Почему стоять на цыпочках (или держать тяжелый
брусок) тяжело?
3. Какое влияние на организм оказывает невесомость?
4. За счет чего человек поддерживает равновесие своего
тела?
5. Чтобы срастить кости или устранить упругое
повреждение, необходимо фиксировать поврежденные
12
участки и устранить силы, которые обычно действуют в
месте перелома до тех пор, пока он не срастется? Какие
законы статики применяются в этих случаях?
6. Почему голова не падает ни взад, ни вперед?
7. Зачем рулевой на гребной лодке наклоняет свое тело в
такт с гребцами?
8. Мышца длинной 10 см и диаметром 1 см под действием
груза 49 Н удлинилась на 7 мм. Определить модуль упругости
мышечной ткани.
9. Человек при ходьбе обычно размахивает руками. Как он
это делает и зачем?
Перечень вопросов для самоконтроля.
 Из каких основных звеньев состоит человеческое тело?
 От чего зависят инерциальные характеристики опорнодвигательного аппарата человека?
 Как рассчитать массу сегмента, момент инерции
сегмента?
 Рассчитайте массу своего предплечья, определите
количество движения руки при средней скорости
движения?
 Чем отличается рычаг силы от рычага скорости?
 Приведите примеры рычажных систем в опорнодвигательном аппарате человека.
 Что такое резонансная частота?
 Какие виды деформации реализуются в опорнодвигательном аппарате человека? Охарактеризуйте эти
виды деформации.
 Какими свойствами обладает костная ткань?
 Рассчитать массы сегментов собственного тела.
13
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 5
Тема: Локомоторные движения.
Продолжительность 2 часа
Учебная и воспитательная цель: Показать возможные
описания движения человека с помощью кинематических,
динамических, энергетических характеристик при ходьбе и
беге; развить аналитические возможности студентов при
рассмотрении хронограммы ходьбы и бега человека;
воспитать отношение студентов к совершенствованию
движения человеческого тела.
Краткие теоретические, справочно-информационные и
т.п. материалы по теме занятия.
КИНЕМАТИКА ХОДЬБЫ И БЕГА. Ходьба и бег – самый
древний способ механического передвижения человека по
Земле.
Механическое передвижение человека осуществляется за
счет циклических действий его нижних конечностей. В
зависимости от темпа и постановки конечностей выделяют
ходьбу и бег.
Как и все циклические движения, перемещение человека
характеризуется
скоростью
передвижения.
Скорость
передвижения тела есть произведение длины шага на темп
движения:
, где
– скорость движения,
длина
шага, п – частота шагов.
Для того чтобы понять, как человек ходит или бегает,
нужно изучить фазовый состав этих движений.
Следует отметить:
 при ходьбе сокращается период двойной опоры (когда
обе ноги находятся на земле) вплоть до почти полного его
исчезновения при спортивной ходьбе;
 при беге увеличивается отношение длительности периода
полета (когда обе ноги не касаются опоры) к длительности
ϑ=l⋅ n
ϑ
l
14
периода опоры.
Если рассматривать фазы движения при ходьбе, то
следует выделять фазу переноса ноги, амортизацию, перекат
тела, отталкивание. Фазы бега не одинаковы по
продолжительности и характеризуются специальной работой
мышц.
При беге количество фаз движения сокращается, и можно
выделить фазу амортизации, полета и отталкивания. При беге
нагрузка ложится на те же мышцы, что и при ходьбе, однако
неодинакова последовательность включения и выключения
мышц. Кроме того, степень напряжения мышц при беге
существенно больше.
Сведения о скорости, темпе, длине шага, длительностях
опоры, переносе ноги и полете необходимы для
совершенствования механики ходьбы и бега.
ДИНАМИКА ХОДЬБЫ И БЕГА. Человек является
самодвижущейся системой, поскольку первопричиной его
движений служат внутренние силы, создаваемые мышцами и
приложенные к подкожным мышцам тела. К внутренним
силам относятся силы инерции, приложенные к центрам масс
движущихся звеньев тела. Сила инерции равна произведению
массы всего тела или отдельного звена на его ускорение:
F i =mi⋅ a i
Fi
mi
, где
– сила инерции,
– масса звена,
–
ускорение звена.
Наряду с внутренними силами на человека действуют
внешние силы. При ходьбе к ним относятся: силы тяжести,
сила реакции опоры, силы сопротивления воздуха
Сила тяжести приложена к центру масс и равна
произведению массы тела на ускорение:
Сила лобового сопротивления воздуха приложена к
центру
поверхности
тела.
Оно
увеличивается
пропорционально квадрату скорости. Центром поверхности
тела называется воображаемая точка, определяющая и
характеризующая поверхностные явления тела при его
движении.
ai
G=m⋅ g
15
Сила реакции опоры определяет и взаимодействие
конечности с поверхностью опоры. Она не является
движущейся силой, а направлена от точки опоры к центру
масс. Статическая компонента постоянна и равна силе
тяжести. Динамическая компонента реакции опоры возникает
при движении с ускорением, когда тело или отдельные звенья
разгоняются или тормозятся. Динамическая составляющая
реакции опоры равна по величине, но противоположна по
направлению силе инерции.
В конечном итоге силы действия ног на опору
отображают всю совокупность внутренних и внешних сил,
действующих на тело человека. Сила реакции опоры равна по
величине силе действия на опору, но противоположна по
направлению.
ЭНЕРГЕТИКА ХОДЬБЫ И БЕГА. При ходьбе
механическая энергия определяется скоростями движения
тела и его звеньев, а также расположением тела. При ходьбе и
беге человек затрачивает энергию не только на
горизонтальные и вертикальные, но и на поперечные
перемещения общего центра масс. В зависимости от фазы
цикла величина кинетической и потенциальной энергии тела
изменяется. Характер этих изменений при ходьбе и беге
принципиально различен. Кинетическая и потенциальная
энергия при ходьбе изменяется в противофазе; например, в
момент постановки ноги на опору, максимум кинетической
энергии совпадает с минимумом потенциальной.
Практические задачи, задания, упражнения.
1. По графику зависимости энергозатрат и скорости
определите энергию, которую затрачивает организм на
участке пути 1 м при оптимальном режиме механического
движения.
2. Определите, какое движение для вас будет энергетически
выгоднее, если вы двигаетесь со скоростью 7 км/час?
16
Задания студентам для самостоятельной работы.
1.
Биодинамика прыжка.
2.
Биодинамика ходьбы.
3.
Биодинамика лыжного хода.
Перечень вопросов для самоконтроля.
 Каковы различия в кинематике ходьбы и бега?
 Как можно отличить ходьбу от бега?
 Какие внешние силы действуют на человека во время
ходьбы и бега?
 Какие силы препятствуют движению тела при ходьбе и
беге?
 Каков
характер
изменения
кинетической
и
потенциальной энергии при ходьбе и беге?
 Для каких целей определяют граничную скорость?
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 6
Тема: Индивидуальные и групповые особенности моторики
Продолжительность 2 часа
Учебная и воспитательная цель: Раскрыть применение
биомеханических характеристик для описания опорнодвигательного аппарата; показать синтез физических и
биологических знаний при анализе рычажных систем
человека; развить модельное представление о биологических
структурах.
Краткие
теоретические,
справочноинформационные и т.п. материалы по теме занятия.
СТРУКТУРА ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА. Двигательный
аппарат человека – движущийся механизм, который состоит
их 600 мышц, 200 костей и несколько сотен суставов. Эти
цифры приблизительны, поскольку некоторые кости срослись
друг с другом, а некоторые мышцы имеют несколько головок
17
или делятся на пучки.
Биофизика изучает опорно-двигательный аппарат
человека, преимущественно те особенности его строения,
которые имеют значение для совершенствования движения.
Двигательный аппарат рассматривается как упрощенная
модель человека, как биомеханическая система.
Биомеханическая система человека состоит из
биомеханических цепей, звеньев и сегментов. Множество
частей
тела,
соединенных
подвижно,
образуют
биокинематические цепи. К ним приложены силы (нагрузки),
которые вызывают деформации звеньев тела и изменяют
движение звеньев.
Звеном называется часть тела, расположенная между
двумя соседними суставами. Например, звеньями тела
являются: кисть, предплечье, плечо, голова и т.д.
В человеческом теле около 70 звеньев. Но в практике
чаще всего рассматривается 15-звенная модель человеческого
тела. Каждое звено цепи состоит из более мелких структур –
сегментов. В этом случае рассматривается 70-звенная модель.
БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПОРНОДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ЧЕЛОВЕКА. Для описания
инерциальных свойств тела человека вводится ряд
биохарактеристик. Геометрией масс тела человека называется
распределение масс между звеньями тела и внутри звеньев.
Геометрия
масс
количественно
описывается
массинерцнальными характеристиками. Важнейшими из них
являются: масса, радиус инерции, момент инерции и
координата центра масс.
Масса биологического объекта – это количество
вещества, содержащегося в теле или в отдельном звене.
Вместе с тем, масса – это количественная мера инертности
тела по отношению к действующей на него силе. Чем больше
масса, тем инертнее тело и тем труднее вывести его из
состояния покоя или изменить его движение.
Массой определяются гравитационные свойства тела.
Масса характеризует инертность тела при поступательном
18
движении. При вращении инертность зависит не только от
массы, но и от того, как она распределена относительно оси
вращения. Чем больше расстояние от звена до оси вращения,
тем больше вклад этого звена в инертность тела.
Количественной мерой инертности тела при вращательном
движении является момент инерции тела. Это величина
определяется по формуле: j=m⋅ R , где R – радиус инерции
или среднее расстояние от оси вращения до материальных
точек тела.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОСТИ И СУСТАВОВ.
Механические
свойства
кости
определяются
их
разнообразными функциями. Кроме двигательной, они
выполняют защитную и опорную функции.
Кости черепа, грудной клетки и таза защищают
внутренние органы. Опорную функцию выполняют кости
конечностей и позвоночника.
Кости рук и ног – это продольные и трубчатые кости.
Трубчатое строение костей обеспечивает противодействие
значительным нагрузкам, в 2-3 раза снижает их массу и
значительно увеличивает момент инерции.
В организме человека выделяют четыре вида
механического воздействия на кость: растяжение, сжатие,
изгиб и кручение.
2
Практические задачи, задания, упражнения.
1. Коллагеновое волокно длиной 8 мм и с модулем
упругости 109 Па, под действием приложенной к нему силы
удлинилось на 1 мм. Какое напряжение возникло при этом в
волокне?
2. Малоберцовая кость свиньи имеет длину 20 см, ее
наружный диаметр 35 мм и толщина стенки 3 мм. К кости
приложили осевую нагрузку 8 кН. Найти удлинение кости,
если модуль упругости равен 4,5*1010 Па
3. Внешний диаметр локтевой кости 15 мм, предел
прочности 108 Па. Какую силу нужно приложить при осевой
нагрузке к кости, чтобы произошел разрыв? Толщина стенки
19
кости 3 мм.
4. Бедренная кость собаки имеет длину 25 см и сечение 3
см2. Какая работа совершается при сжатии кости на 0,5 мм,
если модуль упругости 20 ГПа?
5. Фигурист вращается, делая 6 об/с. Как изменится момент
инерции фигуриста, если он прижмет руки к груди и при этом
частота вращения станет 18 об/с?
6. Почему человек, несущий груз на спине, наклоняется
вперед?
7. Почему трудно стоять на одной ноге?
8. Почему при ходьбе люди размахивают руками?
9. В каком положении человек устойчивее, когда он сидит
или когда стоит? Почему?
10. Почему утки и гуси ходят переваливаясь с ноги на ногу?
11. Почему вытянутой рукой нельзя удержать такой же груз,
как согнутой?
Задания студентам для самостоятельной работы.
1. Начертите вид траектории центра тяжести человека при
ходьбе на лыжах в системе отсчета, жестко связанной с
лыжней.
2. Почему стоять на цыпочках (или держать тяжелый
брусок) тяжело?
3. Какое влияние на организм оказывает невесомость?
4. За счет чего человек поддерживает равновесие своего
тела?
5. Чтобы срастить кости или устранить упругое
повреждение, необходимо фиксировать поврежденные
участки и устранить силы, которые обычно действуют в
месте перелома до тех пор, пока он не срастется? Какие
законы статики применяются в этих случаях?
6. Почему голова не падает ни взад, ни вперед?
7. Зачем рулевой на гребной лодке наклоняет свое тело в
такт с гребцами?
8. Мышца длинной 10 см и диаметром 1 см под действием
груза 49 Н удлинилась на 7 мм. Определить модуль упругости
20
мышечной ткани.
9. Человек при ходьбе обычно размахивает руками. Как он
это делает и зачем?
Перечень вопросов для самоконтроля.
 Из каких основных звеньев состоит человеческое тело?
 От чего зависят инерциальные характеристики опорнодвигательного аппарата человека?
 Как рассчитать массу сегмента, момент инерции
сегмента?
 Рассчитайте массу своего предплечья, определите
количество движения руки при средней скорости движения?
 Чем отличается рычаг силы от рычага скорости?
 Приведите примеры рычажных систем в опорнодвигательном аппарате человека.
 Что такое резонансная частота?
 Какие виды деформации реализуются в опорнодвигательном аппарате человека? Охарактеризуйте эти виды
деформации.
 Какими свойствами обладает костная ткань?
 Рассчитать массы сегментов собственного тела.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 7
Тема: Биомеханика двигательных качеств.
Продолжительность 2 часа
Учебная
и
воспитательная
цель:
Раскрыть
физиологическую сущность мышечного сокращения; развить
синтетические возможности учащихся при моделировании
биологических объектов; воспитать отношение студентов к
совершенствованию собственного тела.
21
Краткие теоретические, справочно-информационные и
т.п. материалы по теме занятия.
МЫШЕЧНАЯ ТКАНЬ. Мышцы человека обеспечивают
его механическое движение и положение в пространстве.
Скелетные мышцы являются основным источником
механической энергии человеческого тела. Основным
свойством мышц является их способность сокращаться. Эту
функцию они выполняют во время движения. Все организмы
находятся под влиянием гравитационного поля, поэтому
одной из самых важных функций скелетных мышц является
поддержание вертикального положения тела в пространстве.
Скелетные мышцы состоят из волокон (клеток) и
соединительной ткани. Они присоединяются к костям скелета
при помощи сухожилий.
В мышцах волокна расположены, главным образом,
параллельно друг другу. Каждое волокно окружено тонкой
оболочкой – сарколеммой, а ее внутренность состоит из
саркоплазмы, в которой расположены тонкие нити –
миофибриллы. Мышечные волокна имеют длину до 10 см и
толщину около 50 мкм. Рассмотрим механизм сокращения
мышцы, опираясь на ее структуру.
МЕХАНИЗМ СОКРАЩЕНИЯ МЫШЦ. Сократимость –
это способность мышцы изменяться при возбуждении. В
результате сокращения происходит укорочение мышцы и
возникает сила тяги.
В любом мышечном волокне имеется несколько
миофибрилл, которые разделяются на два вида нитей,
называемых протофибриллами, они связаны между собой
мостиками. Тонкие протофибриллы состоят из белковых
молекул и называются актинами, а толстые мротофибрилллы
–
из
молекул,
называемых
миозинами.
Волокна
о6разуютсократительный механизм мышцы.
Внутри саркоплазмы находится система тончайших
трубок, которые связывают миофибриллы с поверхностью
мышечного волокна. Эти трубки работают как насосы
кальция, которые поддерживают разность концентрации
22
кальция внутри трубки и в саркоплазме. В спокойном
состоянии мышцы, концентрация ионов кальция в
саркоплазме во много раз ниже, чем и трубочках. При
возбуждении или раздражении мышцы катионы кальция
устремляются в саркоплазму, активируют миозин и
отщепляют одну молекулу фосфорной кислоты из
аденозинтрифосфората (АТФ). В процессе этой химической
реакции освобождается энергия, которая приводит в действие
механизм сокращения мышцы. В процессе сокращения
происходит сдвиг протофибрилл, при котором тонкие нити
заходят между толстыми. Это движение и взаимодействие
протофибрил имеет электростатический характер.
В активизированном состоянии нити актина и миозина
сцепляются между собой с помощью актиномиозинового
мостика. Возбуждение мышцы происходит с помощью
мононейрона, который имеет разветвления и окончания на
миофибриллах. Каждая ветвь нервного окончания при
раздражении увеличивает концентрации катионов кальция.
Кальций обеспечивает протекание биохимической реакции,
результатом которой является выделение энергии и
сокращение мышцы.
При этом от молекулы АТФ отщепляется фосфорная
кислота
и
выделяется
энергия,
обеспечивающая
электростатическое взаимодействие миозина и актина. Таким
образом мышца сокращается.
МЕХАНИЧЕСКАЯ
МОДЕЛЬ МЫШЦЫ.
Модель
представляет собой параллельно и последовательно
соединенные элементы деформации.
В модели выделяют упругие и сократительные
компоненты. Упругие компоненты по механическим
свойствам аналогичны пружинам. Чтобы их растянуть, нужно
приложить силу. Работа силы равна энергии упругой
деформации.
Модель, состоящая из трех элементов сокращения:
параллельного, последовательного и сократительного.
Упругие параллельные компоненты составляют оболочки
23
мышечных волокон и их пучков. Последовательные упругие
компоненты – это сухожилия, мышцы и те миофибриллы,
которые в данный момент не участвуют в сокращении.
Сократительный элемент – это актиномизоиновый
мостик, что изображается на модели в виде цилиндра, в
котором движется поршень. Механизм деформации
сократительного элемента был рассмотрен выше.
Данная модель позволяет описать механические свойства
мышечной ткани.
СВОЙСТВА МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ. Механические
свойства мышечной ткани определяются ее упругими
свойствами, к которым относятся: вязкость, жесткость,
прочность, релаксация.
Механическая модель мышцы отражает ее упругие
свойства,
то
есть
способность
восстанавливать
первоначальную длину после деформации. Существование
упругих свойств объясняется тем, что при растяжении в
мышце возникает энергия упругой деформации. Чем сильнее
растяжение мышцы, тем большая энергия запасется в ней.
С увеличением нагрузки на мышцу увеличивается ее
длина. Однако эта зависимость не линейная, и наблюдается
отклонение от закона Гука. Объясняется это наличием в
механической модели мышцы сократительного элемента,
который проявляет вязкость при деформации.
Практические задачи, задания, упражнения.
1. Мышца длиной 10 см и диаметром 1 см под действием
груза 49 Н удлинилась на 7 мм. Определить модуль упругости
мышечной ткани.
2. Определить напряжение, развиваемое двуглавой мышцей
сечением 19см2, если на ладони удерживается груз 120Н;
локтевой сустав согнут под прямым углом. Расстояние точки
приложения мышечной силы от точки опоры в локтевом
суставе l1=4 см, а расстояние от центра тяжести груза до
точки опоры l2= 36 см. Как изменится это напряжение при
выпрямлении локтевого сустава на угол 45 ?
24
Задания студентам для самостоятельной работы.
1. Способы измерения выносливости.
2. Средства и методы измерения гибкости.
Перечень вопросов для самоконтроля.
1. Из каких структур состоят мышечные волокна?
2. Дайте характеристику миофибриллам.
3. Почему при сокращении мышцы происходит сдвиг
протофибрилл?
4. Из каких структур состоят скелетные мышцы?
5. Какова физиологическая сущность сокращения мышц?
6. Объясните механизм возбуждения мышцы.
7. Выполняется ли закон Гука для мышечной ткани?
Почему?
8. Из каких элементов состоит механическая модель мышц?
9. Объясните механизм действия механической модели
мышцы.
10. Что такое уступающий и преодолевающий режим работы
мышцы?
11. Охарактеризуйте механические свойства мышечной
ткани.
12. Соединение звеньев тела.
13. Разновидности работы мышц.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 8
Тема: Спортивно-техническое мастерство.
Продолжительность 2 часа
Учебная и воспитательная цель: Показатели технического
мастерства. Техническая подготовленность (или, другими
словами,
техническое
мастерство)
спортсменов
характеризуется тем, что умеет делать спортсмен и как он
владеет освоенными действиями. В первую группу
25
показателей входят: а) объем; б) разносторонность; в)
рациональность технических действий, которые умеет выполнять спортсмен. Во вторую: а) эффективность, б)
освоенность выполнения.
Краткие теоретические, справочно-информационные и
т.п. материалы по теме занятия.
Коэффициент механической эффективности характеризует
эффиктивность движения, так для пловца коэффициент равен
1-5% и увеличивается по мере повышения квалификации
пловца. Этот показатель намного ниже, чем у наземных
локомотаций человека (20-40), и ниже, чем у рыб и морских
животных. Так, у зеленой черепахи, форели и у дельфина
коэффициент механической эффективности составляет
соответственно 10, 14 и 40%. При плавании в ластах
коэффициент выше, чем без ласт, и достигает 17%. Эти факты
говорят о неиспользованных резервах техники передвижения
человека в йодной среде.
Энергетическая стоимость метра пути у пловцов
международного класса примерно на 40% ниже по сравнению
с пловцами невысокой квалификации.
Поддерживать высокую силу тяги на всей дистанции
человек может только в том случае, если до самого финала
сохранит достаточно энергии. Поэтому важно исключить
непроизвольные затраты энергии. Для этого необходимо
устранить лишние движения, выбрать наиболее эффективный
темп движения, снизить величины тормозящих сил,
устранить непроизводительные мышечные напряжения.
Из тормозящих сил наиболее велика сила лобового
сопротивления воды и сила сопротивления вихреобразования.
Обе они снижаются с уменьшением угла атаки. Угол атаки –
угол между продольной осью тела и направлением движения.
Чем меньше угол атаки, тем меньше модель тела,
поверхность отрыва струи.
Таким образом, пловец должен выбирать положение тела
по возможности горизонтальное и вытянутое в направлении
передвижения. Для снижения непроизводительных затрат
26
энергии следует уменьшать внутрицикловые колебания скорости, уменьшить силы инерции. Это достигается
непрерывной работой ног и тем, что одна рука начинает
гребок захватом в тот момент, когда другая рука еще не
завершила отталкивание.
Чтобы увеличить скорость движения, иначе говоря, число
реактивных импульсов в единицу времени, необходима
повышенная проходимость нервов, которая возбуждает
сокращение мышц, обслуживающих «реактивный двигатель».
Практические задачи, задания.
1. Почему насекомые и мелкие животные, падая с большой
высоты, не гибнут, в отличие от крупных?
2. Летом можно часто видеть мух, висящих в воздухе как бы
неподвижно. Рывком насекомое может перескочить в сторону
и снова застывают на месте. Как могу насекомые оставаться
неподвижными в одной точке?
3. Каков предел прочности человеческой кости на сжатие?
Сравните его с бетоном, гранитом. Чем обусловлена высока
прочность кости? Изменяются ли упругие свойства костей с
возрастом у человека?
4. Почему многие кости имеют утолщение на концах?
Почему кости, стебли растений трубчатые? Как устроены
трубчатые кости птиц?
5. На концах крыльев стрекозы имеются хитиновые
утолщения. Какую роль они играют при полете стрекозы?
6. Почему органы, подвергающие деформации кручения,
обычно тоньше (шея птиц, тело змеи и т.д.)?
7. Приведите примеры рычагов силы и скорости в опорнодвигательном аппарате человека.
8. Почему когда нам надо расколоть зубами крупный
предмет (орех), мы пользуемся коренными зубами?
9. Удерживающая голову затылочная мышца постоянно
напряжена. Как можно ее разгрузить?
10. Почему перед прыжком человек немного приседает?
11. Какова роль синовиальной жидкости, находящейся во
27
многих суставах?
12. Почему позвоночник человека немного изогнут? Какова
роль хрящеы\вых прокладок между позвоночниками?
13. Существуют
ли
животные,
использующие
для
перемещения принцип реактивного движения?
14. Как влияют перегрузки, возникающие при ускоренном
движении тела, на организм человека?
15. Каковы могут быть последствия влияния невесомости на
человека и биологические системы?
16. Человек разбегается и прыгает в длину. Может ли он во
время полета изменить траекторию движения центра тяжести
тела?
17. Почему высоко в горах у людей легко происходят вывихи
суставов?
18. При изучении действия перегрузок на организм
летчиков-космонавтов
используются
специальные
горизонтальные центрифуги. Определить, какое число
оборотов должна совершать центрифуга, чтобы перегрузка
составила 8g при радиусе вращения 6 м. Определить силу,
действующую на космонавта при таких условиях, если его
масса 70 кг.
19. Определить напряжение, развиваемое двуглавой мышцей
сечением 19 см2, если на ладони удерживается груз 120 Н;
локтевой сустав согнут под прямым углом. Расстояние точки
приложения мышечной силы от точки опоры в локтевом
суставе l1=4 см, а расстояние от центра тяжести груза до
точки опоры l2=36 см. Как изменится это напряжение при
выпрямлении локтевого сустава на угол 45 ?
20. Определить скорость укорочения бицепса через 1,1 с
после начала движения предплечья, если уравнение движения
кисти имеет вид x=10t2+3. Направление вектора скорости
сокращения бицепса в указанный момент считать
перпендикулярным лучевой кости. Расстояние от локтевого
сустава до кончиков пальцев l1=33см, до бугорка лучевой
кости l2=3 см.
21. Найти с какой силой растянуто ахиллесово сухожилие
28
человека массой 70 кг, если он поднимается на полупальцы.
Расстояние от кончиков плюсневых костей до таранной кости
а=18 см, а от таранной кости до выступа на пяточной кости,
где прикреплено сухожилие икроножной мышцы l = 4 см.
Задания студентам для самостоятельной работы.
1. В каком случае работа, совершаемая человеком, будет
больше: когда он передвигается мелкими шагами или делает
крупные шаги? Почему?
2. Почему утки ходят переваливаясь?
3. У насекомых не возникает разности давления между
верхней и нижней поверхностью крыла. Как же создается
подъемная сила?
4. Почему спортсмен в момент поднятия штанги всегда
делает шаг вперед?
5. Как человек определяет положение своего тела в
пространстве?
6. Исследования показали, что дятел, при ударе клювом о
дерево, достигает скорости до 7 м/с, время удара длится
меньше 0,001 с. Перегрузка в конце каждого удара достигает
1000g. Как вы думаете, почему мозг птицы при этом не
травмируется?
7. Центрифуга, предназначенная для изучения действия
перегрузок на организм человека, делала 12 оборотов/минуту;
затем в течение 5 сек число оборотов увеличилось так, что на
летчика стало действовать ускорение 10g. Определить
угловое ускорение летчика, если кабина укреплена на
расстоянии 7 м от оси вращения центрифуги.
8. Определить скорость укорочения бицепса через 1,1 с
после начала движения предплечья, если уравнение движения
кисти имеет вид x=10t2+3. Направление вектора скорости
сокращения бицепса в указанный момент считать
перпендикулярным лучевой кости. Расстояние от локтевого
сустава до кончиков пальцев l1=33см, до бугорка лучевой
кости l2=3 см.
29
Перечень вопросов для самоконтроля.
 Биофизика – как синтезированная естественнонаучная
дисциплина.
 Система биомеханических характеристик описания
живых существ.
 Кинематические биомеханические характеристики.
 Динамические биомеханические характеристики.
 Энергетические биомеханические характеристики.
 Безразмерные биомеханические характеристики.
 Описание опорно-двигательного аппарата человека массинерциальными биохарактеристиками.
 Рычажная система опорно-двигательного аппарата.
 Механические свойства костной ткани.
 Сокращение мышечной ткани.
 Механическая модель сокращения мышечной ткани.
Свойства мышечной ткани.
 Кинематика ходьбы и бега человека.
 Динамика ходьбы и бега человека.
 Энергетика ходьбы и бега человека.
 Физические основы плавания живых существ.
 Динамика и энергетика плавания человека.
 Особенности плавания живых существ.
 Теория полета Жуковского. Принципы создания
подъемной силы.
 Факторы обеспечения полета птиц. Полет птиц.
 Развитие биомеханики спорта и связи ее с другими
науками.
 Показатели технического мастерства.
 Эффективность владения спортивной техникой.
Рекомендации студентам по подготовке к занятию с
указанием литературы.
Перечень литературы
1. Волькенштейн, М.В. Биофизика / М.В. Волькенштейн. –
М.: Наука, 2004. – 576 с.
30
2. Горелов, А.А. Концепции современного естествознания /
А.А. Горелов. – М.: Центр, 2005. – 208 с.
3. Донской Д.Д. Биомеханика / Д.Д. Донской. – М.:
Физкультура и спорт, 2003. – 260 с.
31
Оригинал-макет и компьютерная верстка:
А.П. Афанасьева, Т.Н. Игошина, Е.Н. Федоров,
методисты отдела информационных технологий
663606, г. Канск, ул. 40 лет Октября, 65
тел. (39161) 2-56-30, факс (39161) 2-55-91
E-mail: kanskcol@rambler.ru
32