<< Предыдущая

стр. 2
(из 46 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>

Сегментарное распределение волокон, выходящих из спинного мозга в составе передних корешков, четко обнаруживается лишь в межреберных мышцах. Крупные мышцы туловища и конечностей иннервируются нервными клетками, тела которых расположены в 2—3 сегментах спинного мозга. Аксоны этих клеток идут от спинного мозга в составе двух или трех передних корешков. Многие мышцы иннервированы волокнами, выходящими из спинного мозга через передний корешок.

Механизм движений туловища и головы

Основная функция мышечного аппарата туловища и головы заключается в удержании тела в состоянии равновесия, в обеспечении подвижности (сгибание, разгибание, боковые наклоны, круговые вращения) позвоночного столба, грудной клетки и головы и в преодолении сопротивления и тяжести различных предметов. Статика и динамика туловища в значительной мере взаимосвязаны с механизмом дыхания и состоянием органов грудной и брюшной полостей.
Удержанию тела в равновесии при выпрямленном его положении содействует одновременное сокращение большинства мышц туловища. Главная роль в этом принадлежит напряжению подвздошно-бедренной связки и сокращению ягодичных мышц.
Сгибание туловища может быть пассивным и активным. В первом случае вследствие расслабления мышц-разгибателей позвоночника, а также тяжести головы и внутренних органов происходит пассивный наклон туловища вперед. Такое явление часто может происходить у лиц, работающих сидя, а также при общем ослаблении мышечного тонуса (истощающие заболевания, хронические профессиональные отравления и др.) и нередко у пожилых людей.
Активные сгибания тела наблюдаются при некоторых профессиональных и спортивных движениях, а также в условиях преодоления нагрузки (например, ношение тяжестей на спине). При этом сокращаются мышцы живота, подвздошно-поясничные, длинные мышцы головы и шеи, лестничные и грудино-ключично-сосцевидные и отчасти мышцы переднего отдела шеи.
Разгибание туловища обеспечивается сокращением всех мышц спины и заднего отдела шеи, но, главным образом, мышц-разгибателей позвоночника.
Наибольший интерес представляет работа мышц в условиях преодоления нагрузки: ношение груза на плечевом поясе, поднятие тяжестей (рис. 2.18 и рис. 2.19) и др. В таких случаях помимо напряжения указанных мышц-разгибателей сильно сокращается дыхательная мускулатура и мышцы передней брюшной стенки. Вследствие этого грудная и брюшная полости представляют собой своего рода туго надутые воздушно-газовые камеры, препятствующие форсированному сгибанию тела и тем предохраняющие от возможности разрыва связочного аппарата позвоночного столба.
Боковые сгибания туловища происходят при одновременном сокращении сгибателей и разгибателей одной стороны позвоночного столба. В этом также принимают участие мышцы, поднимающие ребра, задние зубчатые мышцы, квадратная мышца поясницы, наружные и внутренние межреберные мышцы, мышцы боковой стенки живота, а при фиксированном поясе — мышцы, поднимающие лопатку, широчайшая мышца спины, большая и малая грудные мышцы. Все отмеченные мышцы работают с большим напряжением при поднятии груза одной рукой.
Вращение телом обеспечивается, главным образом, сокращением следующих мышц: наружной косой мышцы живота одноименной стороны, внутренней косой мышцы живота противоположной стороны, лестничных мышц, всех частей поперечно-остистых мышц, грудино-ключично-сосцевидной мышцы, верхней части трапециевидной мышцы и мышцы, поднимающей лопатку противоположной стороны.

Рис. 2.18. Методы поднятия и переноса груза. Пунктиром отмечены неправильные положения

Рис. 2.19. Некоторые рабочие позы и направление силы тяжести груза

Движения головы могут совершаться одновременно с движениями туловища или самостоятельно. Сгибание головы происходит вследствие расслабления всех мышц заднего отдела шеи и головы и может форсироваться при двустороннем сокращении длинных мышц головы и шеи, передних прямых мышц головы, грудино-ключично-сосцевидных мышц, переднего отдела шеи.
Разгибание головы связано с функцией ременных мышц головы и шеи, длиннейших мышц головы и шеи, а также и грудино-ключично-сосцевидных мышц.
Боковые наклоны головы, осуществляются преимущественно за счет сокращения прямой и боковых мышц головы одноименной стороны, а также комбинированной функции других мышц передней и задней областей шеи.
Вращение головой вокруг вертикальной оси возможно благодаря комбинации сокращения мышц с косым направлением мышечных пучков, а именно ременных мышц головы и шеи, полуостистой мышцы головы и шеи и одной из грудинно-ключично-сосцевидных мышц.
Во всех случаях при нижней опоре (положение стоя или сидя) механизм движений головы и отдельных частей туловища осуществляется по типу рычага первого рода, т. е. рычага равновесия.

Движения позвоночного столба и головы

Движения позвоночного столба подобны изменениям положения и формы упругого стержня, укрепленного на штативе (рис. 2.20). Вместе с тем здесь все движения как бы контролируются и направляются его суставами, а в грудном отделе значительно ограничиваются ребрами.
Наиболее подвижными являются шейный, нижнегрудной и верхнепоясничный отделы позвоночного столба. Схематически разнообразные формы движений позвоночного столба могут быть представлены в следующем виде: движения вокруг фронтальной оси (сгибание и разгибание) — общий размах 170—245°; движения вокруг сагиттальной оси (отклонение в стороны) — около 55°; вращение вокруг вертикальной оси — до 90° (в значительной мере определяется тренировкой).
Движения головы могут быть классифицированы следующим образом: сгибание и разгибание, определяемое скользящей подвижностью во всех суставах шейного отдела позвоночного столба; вращение вокруг вертикальной оси, в котором принимают участие лишь атланто-затылочные и атланто-осевые суставы; боковые наклоны головы, определяемые также главным образом суставами двух верхних шейных позвонков; круговые вращения, происходящие в суставах нижних трех-четырех шейных позвонков.
В молодом возрасте позвоночный столб более подвижен, у пожилых людей объем движений во всех его отделах резко сокращен. Это объясняется некоторым сплющиванием и частичным окостенением межпозвонковых дисков, а иногда и рядом заболеваний (чаще всего — остеохондрозом, деформирующим спондилезом и др.). Такие заболевания обычно носят профессиональный характер (тяжелый физический труд, спорт и др.).
Путем физических упражнений объем движений позвоночного столба (боковые смещения головы, боковые движения грудной клетки и др.) может быть увеличен за счет резервной эластичности связочного аппарата и тренированности мышц.



Рис. 2.20. Позвоночный столб (вид сбоку). Изгибы позвоночного столба:
а — нормальное положение (фас); б — сколиоз; в — кифоз; г — лордоз;
д — нормальное положение (профиль)

Механизм движений верхней конечности

Верхние конечности являются самыми подвижными звеньями аппарата движения тела человека. Наряду с этим они приспособлены к значительным силовым нагрузкам.
Все многообразие движений верхних конечностей в трудовой (или спортивной) деятельности человека схематически можно представить в виде следующих основных форм: перекладывание и перенос предметов; поднятие или удержание предмета на весу; отталкивание (движение от себя); поднимание (опускание) верхней конечности с последующими манипуляциями кистью; ударные движения; пронаторно-супинаторные движения; вращение; давление на предмет в вертикальном направлении.
Перекладывание и перенос предметов — наиболее распространенная форма движений свободной верхней конечностью; при этом предплечье и кисть в большинстве случаев полупронированные. Работа мышц направлена на сгибание локтевого, разгибание и приведение (реже сгибание) лучезапястного и разгибание и приведение (реже отведение) плечевого суставов. В данном случае сокращаются, преодолевая большее или меньшее сопротивление, следующие мышцы: поверхностный и глубокий сгибатели пальцев, лучевой сгибатель и лучевые разгибатели запястья, плечелучевая мышца, двуглавая мышца плеча, надостная, подостная, подлопаточная мышцы, и в некоторых случаях — широчайшая мышца спины. Реже при этой форме движений дистальные отделы конечностей полностью пронированы (гребля и др.) или же, наоборот, супинированы (выдвигание ящика и др.). В первом случае преимущественная силовая нагрузка падает на мышцы передней группы предплечья, поочередно на трехглавую и двуглавую мышцы плеча, а также мышцы, прямо или косвенно воздействующие на плечевой сустав. Во втором случае главным образом сокращается двуглавая мышца плеча и мышцы, разгибающие плечевой сустав.
Поднятие или удержание предмета требует, как правило, полупронированного (реже пронированного) положения предплечья и кисти. При этом основная работа мышц направлена на сжатие пальцев и сгибание локтевого (иногда и плечевого) сустава и преимущественная нагрузка падает на сгибатели пальцев, плече-лучевую мышцу, лучевой сгибатель и лучевые разгибатели запястья, двуглавую мышцу плеча и отчасти большую грудную и переднюю часть дельтовидной мышцы. При удержании предмета (ношение груза в вытянутой руке), помимо сокращения сгибателей пальцев, в значительной мере напряжены все мышцы свободной верхней конечности, что препятствует перерастяжению связочного аппарата. При слабом развитии мышц верхних конечностей (у детей, подростков, истощенных людей) ношение тяжестей может привести к травмированию связочного аппарата.
Отталкивание предмета (толкание ядра) требует активного участия разгибателей, причем наибольшая нагрузка падает на трехглавую мышцу плеча. Одновременно значительно сокращается передняя зубчатая мышца, которая с силой выдвигает верхнюю конечность вперед (см. рис. 2.15, 9.11).
При поднимании неотягощенной верхней конечности вперед сокращаются двуглавая мышца плеча, большая грудная мышца и мышцы радиального отдела предплечья.
При ударных, движениях (работа молотобойца и др.) верхние конечности находятся преимущественно в полупронированном положении и работа мышц состоит в следующем. Предварительное поднятие руки, помимо напряжения сгибателей пальцев, требует сокращения всех упомянутых в предыдущем случае мышц, но последние вследствие отягощения руки должны работать с большим напряжением. Обеспечение удара определяется главным образом силовым сокращением трехглавой мышцы плеча и всех мышц ладонного отдела предплечья.
Пронаторно-супинаторные движения при согнутом локтевом суставе осуществляются преимущественно за счет сокращения пронаторов и супинаторов предплечья, а при разогнутой верхней конечности в них принимают значительное участие большая и малая грудные, надостная и подостная мышцы, широчайшая мышца спины, а также передняя и задняя части дельтовидной мышцы.
При круговых вращениях верхней конечностью поочередно включаются в работу мышцы поднимающие, отводящие и опускающие плечо и плечевой пояс. Следовательно, в этом принимают участие двуглавая мышца плеча, большая грудная и передняя зубчатая мышцы, все части дельтовидной и верхние пучки трапециевидной мышц, мышца, поднимающая лопатку, ромбовидные мышцы и отчасти (при форсированном опускании плечевого пояса) малая грудная, подключичная и нижние пучки трапециевидной мышц.
Давление на предмет в вертикальном направлении дает возможность использовать верхние конечности для силового воздействия на рычаги второго рода. Эта функция требует преимущественно работы разгибателей, действующих на локтевой сустав. Кроме того, при этом в значительной мере напряжены все мышцы переднего отдела предплечья, переходящие на кисть, так как их роль в данном случае заключается в укреплении лучезапястного сустава и в предохранении его от переразгибания.
В функциональном отношении наиболее важной частью верхней конечности является кисть. Большая сложность и значительное разнообразие движений, совершаемых кистью, обеспечивается главным образом следующими обстоятельствами: наличием наиболее совершенных форм противопоставления большого пальца; дифференцированность движений каждого из пальцев; большой подвижностью лучезапястного сустава; четкой координацией всех видов движения кисти и конечности в целом, обусловленной функцией центральной нервной системы (ЦНС).
Некоторые позиции верхних конечностей создают благоприятные условия для активного участия вспомогательной дыхательной мускулатуры в механизме дыхания. К ним относятся: фиксация плечевого пояса путем сокращения ромбовидных мышц; упор разогнутых верхних конечностей (на стол, спинку стула и др.); опора кисти на полку; положение локтей на подлокотниках и др.; опора туловища (на спинку стула, кресла и др.); положение рук на бедрах. Наоборот, опускание плечевого пояса, что в большинстве случаев носит пассивный характер (действие силы тяжести) и обычно имеет место при сильной мышечной усталости (у работающих сидя без подлокотников), неблагоприятно сказывается на глубине вдоха и приводит к поверхностному дыханию.
Все отмеченное необходимо учитывать врачу, тренеру (инструктору физкультуры) при контроле за конструкцией рабочего места (стола, парты и др.) и организации производственной гимнастики.

Некоторые данные о конституции человека

Классификация типов конституции человека основывается на различных принципах: морфологических, функциональных, биохимических, нейрореактивных, гормональных и др.
Астенический тип характеризуется высоким ростом, длинной грудной клеткой с острым подгрудинным углом, длинной шеей, узкими наплечьями, относительно длинными конечностями, нежной тонкой и бледной кожей и слабо развитой подкожной клетчаткой. Сердце малых размеров, легкие удлиненные, кишечник короткий, давление крови пониженное, преобладают процессы диссимиляции (рис. 2.21).

Рис. 2.21. Типы конституции человека: а — астенический; б — нормостенический; в — гиперстенический

Гиперстенический тип имеет черты в общем прямо противоположные предыдущему типу, т. е. средний и ниже среднего рост, массивное тело, выраженное жироотложение (склонность к тучности), относительно короткие конечности, короткая грудная клетка, короткая шея, большой живот, относительно большое сердце, длинный кишечник, склонность к повышению артериального давления, преобладают процессы ассимиляции.
Нормостенический (атлетический, мускульный) тип обладает относительно пропорциональным гармоничным телосложением, хорошо развитой в большинстве случаев костной и мышечной системами. Считают, что нормостенический тип занимает среднее положение между астеническим и гиперстеническим типами.
В настоящее время принято считать, что представители разных типов конституции человека — это группы людей, обладающих комплексом более или менее сходных наследственных и приобретенных в течение индивидуальной жизни признаков (морфологических, физиологических, биохимических, высшей нервной деятельности и др.), обусловливающих особенности жизнедеятельности и реактивности всего организма.

Нервная регуляция позы и движений

Нервная регуляция работы скелетных мышц осуществляется двигательными центрами ЦНС. Они должны гарантировать строго необходимую степень возбуждения и торможения иннервирующих эти мышцы мотонейронов, чтобы возникающие мышечные сокращения обеспечивали только нужное движение — не больше и не меньше. Однако точное выполнение движений возможно только в случае адекватного исходного положения туловища и конечностей. Нервная регуляция соответствия позы и движения, их правильного сопряжения — одна из важнейших функций двигательных центров.
Запрограммированные (автоматические) движения. Организация движений не всегда основана на рефлексах. Например, внешнее дыхание. Такая последовательность движений, поддерживаемая ЦНС без внешней стимуляции, называется «запрограммированной», или автоматической.
После того, как была обнаружена способность ЦНС к такой деятельности, быстро получила признание гипотеза, согласно которой движения регулируются в основном программами, а не рефлексами, и представление о «программной организации» ЦНС стало общепринятым. Дыхание, ходьба, чесание — все это примеры врожденных программ, к которым в течение жизни индивида добавляется множество приобретенных. Среди последних есть спортивные или профессиональные навыки (гимнастические движения, печатание и т. п.), становящиеся в результате соответствующей практики почти автоматическими.
Целенаправленные функции и функции позы. Другой важный момент состоит в том, что значительная часть нашей мышечной
деятельности направлена не на осуществление движений во внешней среде, а на принятие и поддержание позы, положения тела в пространстве. Без контроля позы со стороны двигательной системы, человек беспомощно рухнет на землю, как боксер в нокауте. Кроме того, двигательная система управляет всеми целенаправленными движениями тела во внешнем мире. Они всегда сопровождаются работой и реакциями механизмов позы, идет ли речь о подготовке к движению или о коррекции позы во время или после него. Тесная взаимосвязь между функциями позы и целенаправленными функциями — функциональное свойство двигательной системы.
Адаптация двигательной системы к выполнению все более сложных задач происходит постепенно. Филогенетическое развитие происходит путем не столько преобразования уже существующих, сколько формирования добавочных регулирующих механизмов для выполнения новых видов деятельности. Параллельно этому повышается и специализация отдельных двигательных центров. В результате центры регуляции двигательной активности не только составляют элементы иерархической системы, но одновременно действуют как партнеры. Рис. 2.22 схематически обобщает функции ЦНС в ходе управления позой и движениями. Слева перечислены двигательные центры, справа указан их предполагаемый вклад в результирующий двигательный акт. Следует отметить важную роль во всех этих фазах сенсорных входов.
В спинном мозге сенсорные аффрентные волокна образуют множество связей с мотонейронами, главным образом — через интернейроны. От того, какие связи задействованы, зависит активация или торможение определенных движений.
Организм используют нужные программы, не привлекая высшие нервные центры к разработке деталей их выполнения.
Высшие двигательные системы включают все супраспинальные центры, участвующие в двигательной регуляции. Функции позы и их координация с целенаправленными движениями контролируются главным образом структурами ствола мозга, а сами целенаправленные движения требуют участия центров еще более высоких уровней. Как показывает рис. 2.22, побуждение к действию и стратегия движения формируются в подкорковых мотивационных областях и ассоциативной коре, затем преобразуются в программы движения, те передаются в спинной мозг, а оттуда к скелетным мышцам для реализации.

Рис. 2.22. Схема организации двигательной системы.
В иерархическом порядке представлены связи между центрами нервной системы, участвующими в регуляции позы и движения. Для упрощения некоторые высшие двигательные центры (мозжечок, базальные ганглии, двигательный отдел таламуса) опущены. Их место в этой системе показано на рис. 2.23 (по Р. Шмидт, М. Визендангер, 1996)

Рис. 2.23 дополняет рис. 2.22, представляя не описанные ранее двигательные центры, а также поясняя партнерство двигательных центров в рамках их иерархии.
Как следует из рисунков (2.22 и 2.23), сенсорная информация и двигательная активность тесно взаимосвязаны. Для правильного выполнения движений необходимо, чтобы ко всем отвечающим за это структурам в каждый момент времени поступала с периферии информация о положении тела и о ходе реализации составленной программы.
Основные характеристики локомоции, т. е. перемещения человека в окружающей среде при помощи координированных движений конечностей, запрограммированы на уровне спинного мозга (R.M. Herman et al. 1976; M.L. Shik, G.N. Orlovsky, 1976).



Рис. 2.23. Схема связей в двигательной системе, включая центры, не описанные на рис. 2.22. Партнерство высших двигательных центров отражено размещением их на одном горизонтальном уровне (см. рис. 2.22). Основное внимание уделено той роли, которую играют в подготовке к движению внутренние петли, прежде всего проходящие через базальные ганглии и мозжечок (по Р. Шмидт, М. Визендангер, 1996)



Функциональный анализ положения человека в позе стоя

Опорная роль нижних конечностей наиболее велика при различных формах позы стоя. Различают позу стоя (стойку) симметричную, при которой тяжесть тела распределяется равномерно на обе нижние конечности (рис. 2.24), и асимметричную, когда тяжесть тела передается преимущественно или целиком на одну из конечностей. При всех видах — как симметричной, так и асимметричной позы стоя удержание тела в состоянии равновесия возможно только в том случае, когда вертикальная линия, проведенная из центра тяжести тела, проходит в пределах площади опоры.

Рис. 2.24. Симметричное (1) и асимметричное (2) стояние

Симметричная поза стоя в зависимости от положения тела имеет три основных вида: стойка нормальная, стойка военная и стойка неряшливая. Нормальная стойка обычно принимается за исходное положение (и. п.) при атропометрических измерениях тела. Это такой вид стойки, при котором общий центр тяжести тела и поперечная ось тазобедренного сустава лежат в одной плоскости, туловище и голова умеренно выпрямлены, угол наклона таза 50—65°, пятки вместе, носки разведены под углом 65—70°, перпендикуляр, опущенный из общего центра тяжести, пересекает линию, соединяющую вершины внутренних сводов стоп.
При нормальной стойке для уравновешивания тела необходимо небольшое балансирующее напряжение всех мышц, окружающих тазобедренный сустав. Удержание колена в среднем положении определяется некоторым напряжением его связок и тонусом мышцы, натягивающей широкую фасцию (отчасти также сгибатели колена). В голеностопных суставах тяжесть тела уравновешивается главным образом напряжением камбаловидных мышц. Устойчивость равновесия тела при этой стойке может быть увеличена, если расставить ноги во фронтальной плоскости.
Стойка военная (положение «смирно») характеризуется тем, что перпендикуляр, опущенный из общего центра тяжести тела, проходит спереди поперечных осей главнейших суставов (тазобедренный, сустав колена, голеностопный) нижних конечностей. При этом виде стойки туловище и голова выпрямлены, поясничный лордоз, а вместе с ним и наклон таза увеличен до 80—90°, живот подтянут, грудная клетка расширена. Положение «вольно» такое же, как и при нормальной стойке. В данном случае для удержания тела в состоянии равновесия, в частности, для предотвращения его падения вперед, необходимо сильное напряжение мышц задней поверхности тела и особенно нижних конечностей, причем наибольшую нагрузку несут ягодичные мышцы. Отмеченная стойка отличается большой неустойчивостью, но более выгодна для непосредственного перехода к движению.
При стойке неряшливой («удобное положение») туловище как бы откинуто назад, а нижние конечности в коленных суставах в большей или меньшей степени переразогнуты, в результате чего перпендикуляр, опущенный из ОЦТ, сдвинут назад. При этом все тело в известной мере расслаблено, грудной кифоз увеличен, а поясничный лордоз, наоборот, уменьшен, таз расположен более горизонтально (наклон около 40°), ребра опущены.
Отмеченный вид стойки отличается наибольшим участием в функции удержания тела в равновесии пассивных соединительнотканных элементов. Особенно важна роль при этом подвздошно-бедренных связок, натяжение которых препятствует падению туловища назад. Сустав колена удерживается в разогнутом состоянии главным образом при помощи связок. В голеностопных суставах сохраняется равновесие за счет незначительного сокращения камбаловидных мышц.
Неряшливая стойка обеспечивает наиболее устойчивое равновесие, которое может быть увеличенным, если расставить ноги на ширину плеч. К неблагоприятному влиянию этого вида стойки следует отнести уменьшенную глубину вдоха и давление органов малого таза на мышцы тазового дна.
От различных видов положения стоя следует отличать осанку тела, под которой понимается не вынужденное или сознательное взаиморасположение звеньев, а привычное держание тела, обусловленное индивидуальными особенностями человека (рис. 2.25).
Осанка зависит от формы позвоночника, равномерности развития и тонуса мускулатуры торса, вида деятельности, возраста и других факторов.

Рис. 2.25. Виды осанки:
а — нормальная; б — сутуловатая; в — лордотическая; г — кифотическая; д — выпрямленная (плоская)
Напряжение (тонус) мышц в спокойном состоянии невелико. Момент силы тяжести головы способствует ее наклону вперед, этому противодействует напряжение мышц, вызывающих наклон головы назад и разгибание шеи. Противодействие силе тяжести, стремящейся произвести сгибание позвоночного столба, оказывают мышцы, разгибающие его (рис. 2.26). Наклон таза назад препятствует натяжению подвздошно-бедренных и лобково-бедренных связок.

Рис. 2.26. Схема, показывающая сокращение функциональных групп мышц при различных положениях тела стоя:
1 — антропометрическое положение; 2 — спокойное положение; 3 — напряженное положение
Кроме пассивных сил в обеспечении равновесия тела принимают участие также мышцы нижних конечностей: сгибатели бедра, разгибатели голени и сгибатели стопы.
При функциональном нарушении осанки и сколиозе выявляется мышечный дисбаланс.
Глава 3 КИНЕМАТИКА

Раздел механики, в котором изучается механическое движение, но не рассматриваются причины этого движения, называется кинематикой (гр. kinema — движение). Описание движения как тела человека (его частей) в различных видах спорта, так и всевозможных спортивных снарядов является неотъемлемой частью спортивной биомеханики.

3.1. Механическое движение. Система отсчета. Материальная точка. Траектория. Путь и перемещение. Вестибулярный аппарат как инерциальная система ориентации

В подавляющем большинстве случаев взаимное расположение интересующих нас тел изменяется с течением времени и эти изменения имеют практическое значения. Например, вращение Земли вокруг своей оси вызывает смену дня и ночи, а вращение Земли вокруг Солнца — смену времен года. Для описания подобных изменений в физике вводят понятие механического движения.
Механическое движение — это изменение положения тела в пространстве относительно других тел.
Прежде чем описывать само движение нужно выбрать способ количественного описания положения тела. В физике для этого используют систему отсчета.
Система отсчета — это некоторое тело, относительно которого указывают положения других тел, связанная с ним система координат и часы для отсчета времени.
Выбор тела отсчета, системы координат и точки, в которую помещается ее начало, зависит от решаемой задачи. Например, для того, чтобы указать положение марафонца на дистанции, систему координат связывают с Землей, а начало отсчета помещают в месте старта. Если же требуется описать движение гимнаста, крутящего «солнце» на перекладине, то начало координат связывают с перекладиной. Тип выбираемой системы координат также определяется особенностями решаемой задачи.
В физике используют два основных типа системы координат: прямоугольный и полярный. На плоскости эти системы показаны на рис. 3.1.
В прямоугольной системе положение тела указывается с помощью его координат по двум осям. В полярной системе для определения положения тела указывают его удаление от начала отсчета (R) и угол (ц), который радиус-вектор тела образует с выбранным направлением

Рис. 3.1. Типы систем координат

Рис. 3.2. Различие в положениях двух одинаковых тел

(ось X). Понятно, что для тела, размеры которого значительны, этого не достаточно.
Например, на рис. 3.2 координаты центров квадратов одинаковы.
Но положения этих квадратов различны. Однако во многих случаях размеры тел при описании их движения не имеют существенного значения. Например, не имеют значения размеры планет при описании их движения вокруг Солнца. В этих случаях тела называют материальными точками.
Материальная точка — тело, размерами и внутренней структурой которого в данных условиях можно пренебречь.
Ответ на вопрос о том, можно ли рассматривать тело как материальную точку, зависит от решаемой задачи. Так, при определении средней скорости бегунаего собственными размерами безусловно можно пренебречь. В то же время при описании движения тела прыгуна в воду его нельзя рассматривать как материальную точку, поскольку в данном случае значение имеет вид прыжка и чистота его исполнения.
Рассмотрим, какие характеристики используются для описания движения материальной точки.
Движущаяся точка описывает в пространстве некоторую непрерывную линию, которая называется траекторией движения (рис. 3.3).
Траекторией называется линия, которую описывает движущаяся точка по отношению к данной системе отсчета.
Путем (s), пройденным телом, называется длина траектории.
Перемещением () тела называется вектор, соединяющий начальную точку траектории с конечной.


Рис. 3.3. Траектория движения точки и ее перемещение

В начальный момент времени (t1) точка находится в положении М1 которое задается радиус-вектором R1 (ее координаты обозначены х1 и y1). В конечный момент времени (t2) точка находится в положении М2 с радиус-вектором R2 (координаты — х2 и y2).
Примеры траекторий некоторых реальных тел показаны на рис. 3.4—3.6.
На рис. 3.4. представлены траектории движения снаряда, выпущенного из миномета под углом 75° (а), и пули при горизонтальном направлении выстрела (б). На рис. 3.5 показана траектория, которую описывает в горизонтальной плоскости центр масс тела стоящего человека (статокинезиграмма). На рис. 3.6 приведена стробоскопическая фотография полета мяча.

Рис. 3.4. Траектория движения снаряда миномета (а) и пули (б). (Пунктиром показана ориентация ствола)

Рис. 3.5. Статокинезиграмма стоящего человека



Рис. 3.6. Стробоскопическая фотография полета мяча


В разных системах отсчета траектории движения различны. Так, траектория точки А, находящейся на ободе катящегося колеса, в системе, связанной с осью колеса (О), представляет собой окружность, в то время как относительно земли — это циклоида (пунктирная линия) (рис.3.7).


Рис. 3.7. Траектории точки А: окружность — относительно оси колеса; циклоида — относительно земли

У человека имеется орган, который по существу является инерциальной системой ориентации — это вестибулярный аппарат. Он расположен во внутреннем ухе и состоит из трех взаимно перпендикулярных полукружных каналов и полости — преддверия. На внутренней поверхности стенок преддверия и в части полукружных каналов находятся группы чувствительных нервных клеток, имеющих свободные окончания в форме волосков. Внутри преддверия и полукружных каналов имеется студенистая масса (эндолимфа), содержащая мелкие кристаллы фосфорнокислого и углекислого кальция (отолиты).
При движении головы в пространстве (с ускорением или замедлением) эндолимфа вследствие инерции отстает от движения костных стенок лабиринта и, следовательно, перемещается относительно них в обратном направлении. Перемещение эндолимфы вызывает сгибание волосков нервных клеток, в которых при этом возникают импульсы, сигнализирующие в центральную нервную систему о направлении и величине ускорения перемещения эндолимфы. При вращательном движении головой эти явления наиболее выражены в том полукружном канале, который лежит преимущественно в плоскости вращения.
При прямолинейном движении аналогичные явления наиболее выражены в преддверии, причем в этом случае действие перемещения жидкости усиливается перемещением вместе с ней отолитовой массы.
Вестибулярный аппарат, как и любая другая биофизическая система, не различает силы тяжести и силы инерции, а реагирует на равнодействующую этих сил. Если силы инерции будут периодически воздействовать на вестибулярный аппарат, например, при качке корабля, то это может привести к морской болезни.
От состояния вестибулярного аппарата зависит способность к ориентированию в пространстве, а также способность сохранения равновесия тела. При нарушении функции вестибулярного аппарата наблюдается промахивание при пальцево-носовой пробе, а также неустойчивость в пробе Ромберга.
3.2. Скорость. Средняя и мгновенная скорость. Временные характеристики движения

Для того, чтобы охарактеризовать насколько быстро изменяется в пространстве положение движущегося тела, используют специальное понятие скорость.
Средней скоростью тела на данном участке траектории называется отношение пройденного пути ко времени движения:

(3.1)

Если на всех участках траектории средняя скорость одинакова, то движение называется равномерным.
Вопрос о скорости бега является важным в спортивной биомеханике. Известно, что скорость бега на определенную дистанцию зависит от величины этой дистанции. Бегун может поддерживать максимальную скорость только в течение ограниченного времени. Средняя скорость стайеров обычно меньше, чем спринтеров. На рис. 3.8. показана зависимость средней скорости ( V) от длины дистанции (S).

Рис. 3.8. Зависимость средней скорости бега от длины дистанции

График зависимости проведен через точки, соответствующие средним скоростям для всех рекордных результатов у мужчин на дистанциях от 50 до 2000 м. Средняя скорость растет с увеличением дистанции до 200 м, а затем убывает.
В табл. 3.1 приведены мировые рекорды скорости.
Для удобства проведения вычислений среднюю скорость можно записать и через изменение координат тела. При прямолинейном движении пройденный путь равен разности координат конечной и начальной точек. Так, если в момент времени t0 тело находилось в точке с координатой x0, а в момент времени t1 — в точке с координатой x1 , то пройденный путь Дх = х1 — х0, а время движения Дt = t1 — t0 (в физике и математике принято использовать символ Д для обозначения разности однотипных величин или для обозначения очень маленьких интервалов). В этом случае

(3.2)
Таблица 3.1
Мировые спортивные рекорды
Вид состязаний и дистанция
Мужчины

Женщины


время, показанное на дистанции
средняя скорость, м/с
время, показанное на дистанции
средняя скорость, м/с
Бег
100 м
9,83с
10,16
10,49 с
9,53
200 м
19,72 с
10,14
21,34 с
9,37
400м
43,29 с
9,24
47,60 с
8,40
800м
1 мин 41,73 с
7,86
1 мин 53,28 с
7,06
1500м
3 мин 29,46 с
7,16
3 мин 52,47 с
6,46
5000 м
12 мин 58,39 с
6,42
14 мин 37,33 с
5,70
10000 м
27 мин 13,81 с
6,12
30 мин 13,75 с
5,51
Марафон (42 км 195 м)
2 ч 6 мин 50 с
5,5
2 ч 21 мин 0,6 с
5,0
Бег на коньках
500м
36,45 с
13,72
39,10 с
12,78
1500м
1 мин 52,06 с
13,39
1 мин 59,30 с
12,57
5000м
6 мин 43,59 с
12,38
7 мин 14,13 с
11,35
10000 м
13 мин 48,20 с
12,07


Плавание
100 м (вольный стиль)
48,74 с
2,05
54,79 с
1,83
200 м (вольный стиль)
1 мин 47,25 с
1,86
1 мин 57,55 с
1,70
400 м (вольный стиль)

<< Предыдущая

стр. 2
(из 46 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>