Сохранение и изменение положения тела в механике

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сохранение и изменение положения тела в механике

Сохранение положения тела относятся к разделу механики, называемому статикой. В статике твердого тела рассматриваются свойства сил, приложенных к твердому телу. При их сбалансированном воздействии может наступить неподвижное состояние тела. Такие задачи возникают в биомеханике, когда требуется сохранить устойчивое положение тела на нижней опоре.

Основная двигательная задача при сохранении и изменении положения тела заключается в обеспечении равновесия без перемены опоры, как при постоянной позе, так при ее изменении. В физических упражнениях человеку нередко бывает необходимо сохранять неподвижное положение тела: исходные (стартовые и др.), конечные (фиксирование штанги после ее поднятия и т. п.), промежуточные (упор углом на кольцах и др.). Во всех таких случаях тело человека как биомеханическая система находится в равновесии. В равновесии могут находиться и внешние тела, связанные с человеком, сохраняющим положение (например, штанга, партнер в акробатике).

Положение тела человека определяется:

1) позой (взаимным расположением звеньев тела);

2) местоположением;

3) ориентацией относительно системы отсчета;

4) отношением к опоре.

Для сохранения положения тела нужно закрепить звенья в суставах и не допускать, чтобы внешние силы изменяли его местоположение, ориентацию в пространстве (исключить перемещения и повороты) и связь с опорой. Названные задачи решаются посредством уравновешивания действующих на человека сил и их моментов. Основу сохранения положения тела составляет уравновешивание сил.

К биомеханической системе могут быть приложены силы тяжести, реакции опоры, веса, мышечные тяги, а также усилия партнера или противника и др. Все силы могут действовать как возмущающие (нарушающие положение) и как уравновешивающие (сохраняющие положение), в зависимости от положения звеньев тела относительно их опоры. Силы тяжести (дистантные, действующие на расстоянии) приложены к ЦМ звеньев и ОЦМ тела (рис. 66). В зависимости от конкретных особенностей положения тела они могут либо быть направленными на изменение положения, либо уравновешивать другие возмущающие (отклоняющие, опрокидывающие) силы.

Реакции опоры как противодействие опоры действию на нее тела, чаще всего совместного с другими силами, уравновешивают опорные звенья, закрепляют их неподвижно. Вес звеньев тела (контактные силы) приложен внутри тела человека к соседним звеньям, как следствие земного тяготения, действия сил тяжести.

Силы мышечной тяги при сохранении положения обычно уравновешивают своими моментами моменты силы тяжести соответствующих звеньев и веса, связанных с ними других звеньев. Эти силы могут и изменять положение тела, и восстанавливать его. Силы тяги мышц сохраняют позы, фиксируя положение звеньев в суставах. Именно управляя мышечными силами, человек сохраняет положение своего тела.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 66. Условия равновесия - сила тяжести (G) действует на ее плечо, создавая момент относительно тазобедренного сустава. Сила мышечных тяг (Fm) создает противомомент (Fm d). В результате ноги гимнаста находятся в равновесии и сохраняют позу - упор углом.

Для уравновешивания действия на тело всех сил необходимо, чтобы главный вектор и главный момент внешних сил были равны нулю, а все внутренние силы обеспечивали сохранение позы. Все внешние силы можно условно привести к ЦМ тела (присоединяя соответствующие моменты силы). Равнодействующая сил, приложенных к ЦМ, - главный вектор - обусловливает его линейное ускорение. Если главный вектор равен нулю, то ЦМ не изменит своей скорости (а если она равна нулю, то и своего положения). Сумма всех моментов внешних сил, приложенных к телу, дает главный момент. Он обусловливает угловое ускорение тела. Если главный момент и главный вектор равны нулю, то тело не изменяет своего положения. Иначе говоря, в этом случае внешние силы не могут ни сдвинуть, ни повернуть тело - его положение сохранится неизменным. В случае если до приложения рассматриваемых (уравновешенных) сил и их моментов тело двигалось, естественно, они не изменяют этого движения. Это частный случай уравновешивания сил, но не сохранения положения. Так, например, можно сохранить позу, но не положение в движении без опоры (в полете) или на опоре (спуск в санном спорте). Следует подчеркнуть, что для сохранения положения всего тела необходимо сохранение его позы (как бы отвердение тела).

Устойчивость и равновесие тел, опирающихся на плоскость

Критерием для определения вида равновесия тела является действие силы тяжести при малейшем отклонении тела от вертикали: а) устойчивое - возвращение тела в прежнее положение при любом отклонении, б) ограниченно-устойчивое - возвращение тела в прежнее положение только при отклонении в определенных границах, в) неустойчивое - обязательное опрокидывание при малейшем отклонении. В том случае если при отклонении тела его ОЦМ поднимается вверх, то потенциальная энергия тела (в поле тяготения Земли) увеличивается, и сила тяжести образует момент, направленный на восстановление положений, - это пример устойчивого равновесия. Оно характерно для верхней опоры, когда тело к ней подвешено (рис. 67, а).

При нижней опоре тело можно отклонять лишь до тех пор, пока линия тяжести (или проекция ЦМ на горизонтальную плоскость) не дойдет до границы площади опоры. До этой границы сила тяжести образует момент устойчивости, который может восстановить положение равновесия. По мере отклонения тела его ЦМ поднимается вверх, что требует затрат работы, которая увеличивает энергию тела. Если же продолжать опрокидывать тело, перейдя эту границу, потенциальная энергия начнет уменьшаться (преодоление «потенциального барьера»), момент силы тяжести станет уже опрокидывающим моментом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 67. Тело на верхней опоре (А). Отклонение от вертикального положения - ОЦМ поднимается и возникает момент силы тяжести (M=Gd), который возвращает тело к вертикальному положения равновесия. Б - тело на плоской, нижней опоре. Отклонение его от вертикального положения, на величину, большую, чем угол устойчивости, приводит к возникновению опрокидывающего момента силы тяжести (Мопр. = Gd) и потере равновесия

Неустойчивое же равновесие встречается только при нижней опоре в виде точки опоры или линии. Достаточно отклонить тело в любую сторону, как его ЦМ опускается ниже, потенциальная энергия уменьшается, момент силы тяжести оказывается опрокидывающим. Такого равновесия в природе не существует - это некая абстрактная модель. В реальных условиях малейшее отклонение прекращает такое равновесие.

Таким образом, неустойчивого и безразличного равновесия для тела человека практически не существует, а устойчивое равновесие наблюдается только при верхней опоре (в висах), а наиболее часто встречается именно - ограниченно-устойчивое - равновесие при нижней опоре.

Степень устойчивости тела человека в разных положениях характеризуется его статическим показателем - коэффициентом устойчивости (способностью сопротивляться нарушению устойчивости в определенных направлениях), а также динамическим - углом устойчивости (способностью восстанавливать положение). На практике наиболее важно определить устойчивость для ограниченно-устойчивого вида равновесия. При этом не следует смешивать вид равновесия со степенью устойчивости. Вид равновесия определяет лишь основы сохранения положения. Показатели же устойчивости определяют меру возможностей сохранения положения. Статический показатель устойчивости характеризует отношением двух моментов силы: момента устойчивости (Му=Gd) к моменту опрокидывания (Mo=Fd). Следовательно, коэффициент устойчивости тела (Ку) = Му/Мо. В свою очередь, момент устойчивости равен произведению силы тяжести тела на ее плечо относительно линии опрокидывания в самом начале отклонения от положения покоя (рис. 68, А).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 68. Показатели устойчивости твердого тела, на нижней, плоской опоре: А - момент устойчивости; Б - угол устойчивости

При нарастании отклонения плечо силы тяжести укорачивается, а момент устойчивости становится меньше. Что касается момента опрокидывания, то он равен произведению опрокидывающей силы на ее плечо относительно той же линии опрокидывания. Когда коэффициент устойчивости больше единицы, то тело не опрокинуть. Он характеризует способность тела своей силой тяжести сопротивляться опрокидыванию в данных условиях. плоскость опора тяжесть тело

Существует динамический показатель устойчивости, который определяется углом устойчивости. Угол устойчивости образован линией действия силы тяжести и прямой, соединяющей центр тяжести с соответствующим краем площади опоры (рис. 69Б). Следовательно, угол поворота , на который следует повернуть тело, чтобы перевести его из устойчивого положения в неустойчивое (например, в спортивных единоборствах это важная двигательная задача), называется углом устойчивости. Он тем больше, чем шире основание тела и чем ниже расположен его центр тяжести (рис. 69).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 69. Изменение величины угла устойчивости при разной высоте ОЦТ тела и размеров опоры

Если тело переместить на другую плоскость (рис. 69Б), то угол устойчивости будет соответственно больше. Для его опрокидывания в этом случае потребуется поворот на больший угол. Это обстоятельство широко используется в практике спорта для создания положения устойчивости.

Способность тела возвращаться к первоначальному положению равновесия по прекращению действия на тело сил, нарушающих это равновесие, называется динамической устойчивостью тела. Если твердое тело опирается не всем основанием, а несколькими точками, не лежащими на одной прямой, то за площадь опоры надо принимать площадь, образуемую линиями, соединяющими эти точки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 70. Взаимодействие между моментом устойчивости (Му=Gd) и моментом опрокидывания (Мо=Fh), где h - плечо опрокидывающей силы F

Для того чтобы отклонить тело до положения, когда его ОЦМ окажется над линией опрокидывания (граничное положение тела над вершиной потенциального барьера) нужно повернуть его в соответствующей вертикальной плоскости на определённый угол . Если ОЦМ тела расположен ниже, а его проекция дальше от края опоры, то момент устойчивости восстановит положение на большем пути отклонения, запас возможностей для восстановления положения больше, степень устойчивости выше. Угол устойчивости показывает, в каких пределах еще действует момент устойчивости.

Способность тела сопротивляться всякому, хотя бы и малому, нарушению его равновесия, называется статической устойчивостью тела. Статический и динамический показатели устойчивости в полной мере применимы для оценки положения только твердого тела или тела человека, когда поза его совершенно неизменна. Для тела человека (как биомеханической системы) при оценке устойчивости положения надо учитывать еще ряд обстоятельств. Во-первых, поверхность опоры почти всегда больше площади эффективной опоры. Это значит, что линия опрокидывания всегда расположена внутри границы поверхности опоры. Мягкие ткани и недостаточно сильные мышцы не могут уравновесить нагрузку, и опрокидывание будет раньше, чем линия тяжести пересечет край опорной поверхности. Во-вторых, тело человека при попытке опрокидывания чаще всего не сохраняет позы, а изменяет свою конфигурацию, его звенья перемещаются в тех или иных суставах. Следовательно, показатели устойчивости твердого тела в применении к телу человека только в самой общем виде дают возможность оценить механические условия его устойчивости. Необходимо заметить, что здесь рассматривались только условия равновесия тела, находящегося под действием силы тяжести. При сохранении положения тела человека приходится уравновешивать не только силу тяжести, но и многие другие силы. С точки зрения задачи уравновешивания сил можно выделить три вида статической работы мышц:

удерживающая работа - против момента силы тяжести; моментами сил тяги мышц уравновешены моменты силы тяжести звеньев;

укрепляющая работа - против сил тяжести, действующих на разрыв; силы мышечной тяги укрепляют сустав, принимают на себя нагрузку;

фиксирующая работа - против сил тяги мышц-антагонистов и других сил; силы мышечной тяги лишают звено возможностей движения, действуя друг против друга по направлению, но взаимодействуют положительно - по задаче.

Анализ вышеприведенных фактов показывает, что с точки зрения механики это одинаковые случаи - уравновешивание сил. С другой стороны с позиций биомеханики здесь имеется качественное различие в двигательной задаче и в управлении мышцами при ее решении. Так их повседневной практики известно, что человек может не только сохранять равновесие, но и восстанавливать его в случаях нарушения. Различие в равновесии биомеханических систем и твердых физических тел заключается не в особых законах механики для живых систем, а в более сложной реализации тех же законов из-за особенностей живых систем.

Таким образом, устойчивость тела человека, его вертикальная стабильность определяется возможностями активно уравновешивать возмущающие силы, останавливать начинающиеся отклонения и восстанавливать положение тело в целом. Уравновешивание возмущающих сил в неживых системах происходит только пассивно, а в живых организмах, напротив - в основном активно. Уравновешивающие силы могут действовать как собственно уравновешивающие, а также как останавливающие отклонение и восстанавливающие положение воздействия.

Силы тяги мышц (уравновешивающие силы) никогда не бывают постоянными. Поскольку человек может использовать для сохранения положения тела только площадь эффективной опоры, то ей соответствует находящаяся над нею зона сохранения положения. Человек может расположить проекцию ОЦМ своего тела в любом месте этой зоны и сохранять положение. Величина зоны сохранения положения зависит от физических сил человека (возможности сохранения позы) и уровня его технической подготовленности (навык сохранения положения). В пределах этой зоны он может остановить начавшееся отклонение. Внутри зоны сохранения положения можно выделить меньшую - зону положения ОЦМ тела - оптимальную. В пределах ее человек лучше всего сохраняет требуемое положение. Когда колебания тела выводят ОЦМ из оптимальной зоны, устойчивость еще достаточная, но требует, для поддержания, более значительных усилий. И лишь когда колебания тела выведут ОЦМ тела за пределы зоны сохранения положения, наступает опрокидывание. Например, на сухом асфальте критическим, является наклон велосипедиста с велосипедом на угол, равный 28о по вертикали. Механическая система уже не может в этом случае сама под действием только силы тяжести восстановить положение. Без дополнительного внешнего воздействия падение неизбежно.

Человек, стремясь сохранить положение (даже утратив равновесие), с помощью активных действий еще может восстановить положение в известных пределах отклонения. Зона восстановления положения - это область, в которой уже невозможно статическое равновесие, но из которой человек еще способен активными действиями вернуться в заданное положение.

Необходимо заметить, что размеры всех зон (оптимальной, зоны сохранения и зоны восстановления положения) имеют большие индивидуальные различия. Они зависят от уровня развития физических качеств, двигательных навыков, физического и эмоционального состояния спортсмена. Устойчивость тела, конечно, связана с механическими условиями равновесия тела, но определяется главным образом другими факторами. Так, при стойке на руках на плоской горизонтальной опоре зона сохранения равновесия в переднезаднем направлении составляет всего 45-65% от размеров площади опоры в этом направлении.

При упражнениях на снарядах с использованием хвата имеют место удерживающие связи, создаются иные условия, чем при неудерживающей связи (на опоре). При стойке на руках на брусьях, при удерживающей опоре, зона сохранения равновесия в том же направлении достигает 110-150% от размеров площади опоры. Моменту силы тяжести тела противодействует момент, образованный захватом кистью опорного снаряда. Эти данные значительно варьируют не только у разных спортсменов, но при повторном исполнении у одного и того же спортсмена.

При выполнении основных движений в спорте часто второй двигательной задачей является сохранение устойчивости тела, расположенного на нижней опоре. Это достигается управлением уравновешивающими и восстанавливающими силами при компенсаторных, амортизирующих и восстанавливающих движениях. Компенсаторные движения направлены на предупреждение выхода ЦМ тела за пределы зоны сохранения положения при возмущающих воздействиях и при собственных движениях на месте. Компенсаторные движения нейтрализуют воздействие возмущающих сил на ОЦМ тела. Эти движения выполняются обычно одновременно с отклонениями и, как правило, автоматически.

Амортизирующие движения уменьшают эффект действия возмущающих сил. Это обычно уступающие движения, которые направлены в сторону действия возмущающей силы. Они замедляют начавшееся отклонение и останавливают его. Их выполняют (как и компенсаторные движения) одновременно с действием возмущающих сил.

Существует и третья группа сил, направленных на сохранение равновесия тела на нижней опоре. К ним относятся восстанавливающие движения. Они производят возвращение ОЦМ тела в зону сохранения положения из зоны восстановления. В ряде случаев восстанавливающие движения нередко не только устраняют отклонения от равновесного положения, но и вызывают противоположное отклонение (это будет гиперкоррекция). В этом случае необходимы новые восстанавливающие движения (вторичная коррекция) для достижения необходимого уровня восстановления положения тела в пространстве. Таким образом, можно заключить, что, сохраняя положение тела, человек управляет своими движениями, активно противодействует сбивающим силами. Это принципиально отличает его действия от пассивного уравновешивания неживых тел.

Устойчивость тела человека рассматривают иногда как самостоятельное двигательное качество. Это имеет смысл, поскольку биомеханические механизмы устойчивости отличаются от тех, которые обеспечивают высокую выносливость, силу, быстроту, гибкость и ловкость. В основе устойчивости, как и вообще в основе координации движений, лежит принцип обратной связи. Отклонение от устойчивого положения вызывает действия, направленные на ликвидацию отклонения.

Заключение

Основная двигательная задача при сохранении и изменении положения тела заключается в обеспечении равновесия без перемены опоры, как при постоянной позе, так при ее изменении. При решении задачи сохранения равновесия, рассматривают положение тела. Оно определяется: 1) позой (взаимным расположением звеньев тела), 2) местоположением, 3) ориентацией относительно системы отсчета и 4) отношением к опоре.

Для сохранения положения тела нужно закрепить звенья в суставах и не допускать, чтобы внешние силы или их моменты изменяли его положение, ориентацию в пространстве, а также связь с опорой. Эти задачи решаются посредством уравновешивания действующих на тело человека сил или моментов сил. Поэтому основу сохранения положения тела составляет уравновешивание сил. Для уравновешивания действия на тело всех сил необходимо, чтобы главный вектор и главный момент внешних сил были равны нулю, а все внутренние силы обеспечивали сохранение избранной позы.

Важно иметь в виду, что все внешние силы, действующие на тело можно привести к одной точке, к ОЦТ. Равнодействующая сил, приложенных к ОЦТ тела, является главным вектором и обуславливает его линейное ускорение. Также сумма всех моментов внешних сил, приложенных к телу, является главным моментом.

Статика гимнастики связана с задачей сохранения устойчивости тела на нижней опоре. Для этого необходимо выделить статические (моменты устойчивости и коэффициент устойчивости) и динамические (углы устойчивости) критерии устойчивости.

Литература

1. Александер Р. Биомеханика.- М.: Мир, 1970.- 339 с.

2. Бальсевич В. К., Запорожанов В. А.Обучение спортивным движениям. - Киев, 1986.

3. Гросс X. X. Методология педагогической кинезиологии.- Таллин, 1987.

4. Гурфинкель В. С., Коц Я. М. Регуляция позы человека.-М., 1965.

5. Коренберг В.Б. Основы качественного биомеханического анализа.- М.: ФиС, 1979.- 208 с.

6. Петров В.А., Гагин Ю.А. Механика спортивных движений. - М., ФиС. 1974.- 232 с.

7. Сучилин Н.Г., Савельев B.C., Попов Г.И. Оптико-электронные методы измерения движений человека. -- М-: Физкультура, образование, наука, 2000. -127 с.

Размещено на Allbest.ru