Развитие биомеханики как науки

К предпосылкам возникновения биомеханики как само­стоятельной науки относится накопление знаний в областифизических и биологических наук, а также развитие техники, что позволяет разрабатывать различные методики изучения движений и по-новому понимать их построение.

В Древней Греции во времена Аристотеля (384—322 г. до н.э.) физикой называли вообще все первоначальные зна­ния о природе. Аристотель первый ввел термин "механика", описал рычаг и другие простейшие машины, пытался путем рассуждении 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 г. до н.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 г.) 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 г.) и Исаака Ньютона (1643-1727 г.). Основные законы классической механики описывают движение матери­альной точки и абстрактного абсолютно твердого тела.

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.

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 г.), формирование понятия о рефлексе Рене Декарта (1596—1650 г.) и исследования Джовани Борелли (1608—1679 г.) 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.

Начало развитию биомеханики физических упражнений положил П.Ф.Лесгафт, разрабатывавший курс теории теле­сных движений. Он начал читать его в 1877 г. на курсах по физическому воспитанию. Этот курс продолжали читать и совершенствовать его ученики. В институте физического об­разования им. П.Ф. Лесгафта, созданном после Октябрьской революции, этот курс входил в предмет "Физическое образова­ние", а в 1927 г. был выделен в самостоятельный - под назва­нием "Теория движений", в 1931 г. переименован в курс "Био­механика физических упражнений".

С 30-х г. в институтах физической культуры в Москве (Н.А.Бернштейн), Ленинграде (Е.А.Котикова, Ё.Г.Котельникова), Тбилиси (Л.В.Чхаидзе), Харькове (Д.Д.Донской) и др. развер­нулась научная и учебная работа по биомеханике спорта.

С 1958 г. биомеханика включена в учебный план всех институтов физической культуры, после чего начали созда­ваться кафедры биомеханики. На кафедрах спортивных дис­циплин институтов физической культуры широко ведутся биомеханические исследования спортивной техники. Биоме­ханические методы успешно применяются научными работ­никами, тренерами для исследования качества техники и кон­троля над ее совершенствованием.

В ряде зарубежных стран преподавание этой учебной дис­циплины для специалистов физического воспитания ведется под названием "Кинезиология", "Анализ движений" и др. В составе научного комитета по физическому воспитанию и спорту при ЮНЕСКО создана рабочая группа по биомехани­ке. Проводятся международные совещания и симпозиумы по биомеханике.

Биомеханика физических упражнений способствует тео­ретическому обоснованию ряда вопросов физического воспи­тания. Биомеханика спорта составляет одну из основ теории спортивной техники. Она помогает обоснованию наиболее ра­циональной техники, путей овладения ею и технического со­вершенствования спортсменов.

С применением каждой новой методики, с накоплением фактических данных, с развитием смежных областей знания (механики, анатомии, физиологии, кибернетики) менялись кри­терии оценки получаемых результатов, появлялись умозак­лючения, выводы, постепенно складывающиеся в новое пони­мание явлений и процессов. Теория биомеханики как обоб­щение экспериментальных данных в свете определенных идей развивалась по нескольким направлениям.

Механическое направление. Механический подход к изу­чению движений человека позволяет определить количествен­ную меру двигательных процессов, объяснить физическую сущ­ность механических явлений, раскрывает огромную сложность строения тела человека и его движений с точки зрения физики.

Хронологически первым было механическое направле­ние в развитии биомеханики. Первую книгу по биомеханике "О движениях животных" (1679 г.) написал ученик Галилея, итальянский врач и математик Джовани Борелли. Исследо­вание действия и противодействия, определение центра тяже­сти тела человека, классификация локомоторных движений по источнику сил проводились с позиций механики. Физиоло­ги братья Вебер (1836 г.) изучали ходьбу человека тоже с позиций механики, сравнивая движения шагания с качания­ми маятников (их гипотезы в последующем во многом не подтвердились).

Изучению механических характеристик движений были посвящены исследования В.Брауне, О.Фишера, Г.Хохмута, А.Новака и др.

Применение законов механики в биомеханике совершен­но необходимо, но оно недостаточно. Как биомеханическая система тело человека существенно отличается от абсолютно твердого тела или материальной точки, которые рассматриваются в классической механике. Внутренние силы, которые при решении задач в механике твердого тела стараются ис­ключить, имеют определяющее значение для движений чело­века. Безразличие к источнику силы в механике сменяется крайним интересом к этому вопросу в биомеханике.

Наряду с механическими причинами особой сложности движений животных существуют немеханические причины, которые играют еще большую роль. Именно эти причины представители данного направления обычно не рассматрива­ют. Чисто механический подход создает почву для неоправ­данных упрощений, что часто приводит к неправильным вы­водам. Кроме того, появляется опасность недооценки каче­ственной специфики физики живого. Возникают механистические тенденции объяснения качественно более высоких явлений простейшими механическими факторами.

Функционально-анатомическое направление. Функци­онально-анатомический подход характеризуется преимуще­ственно описательным анализом движений в суставах, оп­ределением участия мышц при сохранении положений тела и в его движениях.

Изучая форму и строение органов опоры, а также движе­ния человека в тесной связи с их функцией, анатомы исследо­вали преимущественно двигательный аппарат. Аналитиче­ское изучение тела человека преобладало в работах О.Фишера, Р. Фикка, Г. Брауса, С. Моллье и других зарубежных анатомов.

Вместе с тем расширялось изучение функций двигатель­ного аппарата как целого. Один из основателей функциональ­ной анатомии П.Ф.Лесгафт рассматривал все системы и орга­ны прежде всего во взаимодействии, как части единого целос­тного живого организма. Высоко оценивая возможности формообразующего влияния функций, П.Ф.Лесгафт одним из первых начал разрабатывать научные основы физического образования детей и молодежи. Функционально-анатоми­ческое направление развивалось учениками П.Ф.Лесгафта и продолжателями его учения А.А.Красуской, Е.А.Котико­вой, Е.Г.Котельниковой и др. Большой вклад в учение о движениях внес М.Ф.Иваницкий, разрабатывавший раздел курса анатомии - двигательный аппарат как целое (дина­мическая анатомия). Во многих странах наука о движени­ях - кинезиология - представляет собою в настоящее вре­мя своеобразное сочетание механического и функциональ­но-анатомического направлений. Для анатомического направления в целом характерен описательный подход - преимущественно качественные ха­рактеристики при незначительном применении количествен­ной меры. Однако сейчас широко применяются регистрация электрической активности мышц (электромиография), даю­щая ценный вклад в определение времени и степени участия мышц в движениях, согласования активности отдельных и групп мышц.

Новое направление в функциональной анатомии - спортив­ная морфология (А.А.Гладышева) - способствует познанию специфических особенностей опорно-двигательного аппарата человека в связи с занятиями спортом. Конкретизация зна­ний о морфологических основах биомеханических систем обеспечивает более глубокое и правильное определение физи­ческой и технической подготовки в физическом воспитании, в частности в спорте.

Физиологическое направление. Физиологическое направ­ление в биомеханике утвердило представление о рефлектор­ной природе движений, кольцевом характере управления дви­жениями и об обусловленной этим чрезвычайной сложности движений человека.

На развитие биомеханики оказали существенное влияние физиология нервно-мышечного аппарата, учение о высшей нервной деятельности и нейрофизиология. Признание реф­лекторной природы двигательных действий и механизмов не­рвной регуляции при взаимодействии организма и среды в работах И.М.Сеченова, И.П.Павлова, Н.Е.Введенского, А.А.Ух­томского, П.К.Анохина, Н.А.Бернштейна и других ученых со­ставляет физиологическую основу изучения движений чело­века. Результаты многочисленных, проведенных за последние десятилетия во многих странах мира исследований механиз­мов центральной нервной системы и нервно-мышечного ап­парата позволяют наиболее полно представить высокую слож­ность управления движениями.

Исследования Н.А.Бернштейна, ставшие уже классиче­скими, дали результаты, которые привели его в свое время к новой системе взглядов на движения и управление ими. Раз­вивая идеи И.М.Сеченова о рефлекторной природе управле­ния движениями путем использования чувствительных сиг­налов, Н.А.Бернштейн выдвинул положение о кольцевом ха­рактере процессов управления. Его гипотеза об уровневом построении движений сыграла важную роль в дальнейшей разработке физиологического направления в биомеханике. Глубокое изучение действительных явлений в самом опорно-двигательном аппарате вызвало особое внимание к управле­нию движениями. Выявленные особенности управления дви­жениями показали, насколько были неверны прежние упро­щенные объяснения механизма движений.

Системно-структурный подход. Системно-структур­ный подход в биомеханике характеризуется изучением со­става и структуры систем как в двигательном аппарате, так и в его функциях. Этот подход в известной мере объеди­няет механическое, функционально-анатомическое и физио­логическое направления в развитии теории биомеханики.

По современным представлениям, опорно-двигательный аппарат рассматривается как сложная биомеханическая сис­тема; движения человека также изучаются как сложная це­лостная система.

Понятие о системе, в которой множество элементов (ее состав) закономерно объединено взаимными связями, взаимо­зависимостью (ее структура), характерно для современного научного представления о мире. Системно-структурный под­ход требует изучения системы как единого целого, потому что ее свойства не сводятся к свойствам отдельных элементов. Важно изучать не только состав, но и структуру системы, рас­сматривать во взаимосвязи строение и функцию.

Идеи о системности внес в изучение двигательной деятельно­сти также Н.А.Бернштейн. Кибернетический, по сути дела, под­ход к движениям был им осуществлен более чем за 10 лет до оформления кибернетики как самостоятельной науки.

Современный системно-структурный подход не только не отрицает значения в биомеханике всех направлений, а как бы объединяет их; при этом каждое направление сохраняет в биомеханике свое значение.

Контрольные вопросы