К ВОПРОСУ О ВЛИЯНИИ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ ГЕОМЕТРИИ МАСС ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА В ОНТОГЕНЕЗЕ

Кашуба В.А.

Национальный университет физического воспитания и спорта Украины

Сложившаяся у человека геометрия масс тела отличается определенными закономерностями. Масса головы и туловища составляют примерно половину массы всего тела. С точки зрения организации движений это чрезвычайно рационально, поскольку (согласно третьему закону динамики) позволяет совершать активные перемещения тела в пространстве в безопорном положении без использования каких - либо дополнительных сил. Аналогичные закономерности обнаруживаются и в распределении масс звеньев конечностей: масса плеча в среднем равна сумме масс предплечья и кисти; масса бедра суммарно равна сумме масс голени и стопы. Это дает возможность совершать активные перемещения концевых звеньев конечностей непосредственно не за счет энергии мышечных сокращений, а за счет так называемых реактивных сил (сил взаимодействия масс звеньев). Как правило, центры масс звеньев располагаются ближе к проксимальным их концам, что увеличивает частоту свободных колебаний этих частей тела относительно осей, проходящих через проксимальные (близлежащие к голове) суставы. Частота свободных колебаний увеличивается в таком случае благодаря уменьшению радиуса инерции, что приводит к уменьшению момента инерции звена относительно этих осей. В том случае, если бы центры масс располагались в центре симметрии звеньев, частота их свободных колебаний была бы меньшей. А это означает, что для придания им равного ускорения потребовалось бы приложить значительно больше мышечных усилий, затратить больше энергетических ресурсов. Поэтому факт именно такой, а не иной локализации центров масс звеньев следует рассматривать как еще один механизм экономизации двигательной деятельности человека. Кроме того, такая локализация центров масс звеньев создает также более чем какие - либо другие экономичные условия функционирования, мышц приводящих в движения звенья. Более близкое расположение центра масс звена к оси вращения создает морфологические предпосылки для образования как можно большего плеча рычага для силы тяги мышц. При более удаленном расположении центров масс звена от точки прикрепления мышцы для последней точки создаются энергетически менее выгодные условия работы/1,2,3/.

Таким образом, очевидно, что естественная локализация центров масс звеньев относительно геометрических образований тела человека не является случайной, она биологически закономерна, обусловлена всеобщими законами преобразования, передачи и сохранения энергии и движения. К этим условиям приспособлена также и локализация рецепторного аппарата, позволяющая воспринимать - и отражать их в нервной системе человека. Это положение, по-видимому, закреплено в нервной системе в комплексе безусловных рефлексов. Оно же при правильной организации процесса формирования новых двигательных навыков будет способствовать эффективному формированию соответствующих условных двигательных рефлексов. Общий центр масс тела человека в вертикальном положении ("основная стойка") располагается в горизонтальной плоскости примерно на уровне середины тела второго крестцового позвонка. Он может изменять свое положение в том случае, когда изменяется расстояние между звеньями тела. В некоторых положениях он может быть даже вне тела. Локализация центров масс звеньев определяет величины их моментов инерции.

Биомеханическая система тела человека может рассматриваться как совокупность отдельных частей звеньев, все массы которых сосредоточены в их центрах масс. Каждое относительно подвижное звено тела имеет свой центр тяжести - точку, через которую проходит линия действия равнодействующей силы тяжести всех его частиц при любой его ориентации в пространстве. Положения центров тяжести и центров масс звеньев тела совпадают, хотя сами эти физические понятия и не тождественны. Центр масс тела характеризует распределение в нем его массы и сохраняет смысл не зависимо от того, находится ли данное тело под действием каких - либо сил или нет.

Совершая те или иные движения, человек изменяет геометрию масс биомеханической системы своего тела, изменяет положение его общего центра тяжести относительно Земли. Однако при этом он не в состоянии изменить положения центров тяжести отдельных звеньев относительно их собственной системы отсчета и направление вектора их силы тяжести относительно гравитационного поля Земли. Данное обстоятельство, по - видимому, сыграло самую существенную роль в формировании целостной двигательной функции человека в процессе филогенеза. Относительное постоянство гравитационных взаимодействий всего тела человека и отдельных его звеньев явилось одним из самых мощных стимулов эволюции двигательной системы приматов. В результате длительного периода развития под воздействием гравитационного поля у человека сформировались относительно стабильные масс - инерционные соотношения звеньев собственного тела. В конечном итоге это отразилось не только на закономерностях построения собственного аппарата движения, но и привело к образованию соответствующих функционально - морфологических подсистем всего организма. В частности, гравитационные взаимодействия впрямую детерминировали формирование основных компонентов двигательного анализатора, в определенной степени лимитировали развитие сердечно - сосудистой, дыхательной, выделительной и других систем организма, обслуживающих двигательный аппарат человека.

Анализируя движения каждого отдельного звена в системе отсчета тела человека, целесообразно рассмотреть, прежде всего, закономерности перемещений его центра масс (центра инерции), приняв предварительно, что звено представляет собой условно абсолютно твердое однородное тело, его центр масс и центр тяжести совпадают. Если позволительно такое упрощение, то становится очевидным, что закон движения любого звена тела будет определяться законом движения его центра инерции. В то же время из механики движения твердого тела известно, что центр инерции всякого твердого тела движется так, как если бы к нему были приложены все внешние силы и масса его тела была бы сосредоточена в центре инерции. Векторная сумма количества движения всех частиц такого звена (или количество его движения) определяется его массой и скоростью центра инерции. При чем количество движения звена равно его массе, умноженной на скорость движения его центра инерции, а производная от количества движения равна сумме внешних, действующих на него сил. Ускорение центра инерции данного звена равно отношению суммы всех внешних сил ко всей его массе.

Внешними силами по отношению к рассматриваемому в данном конкретном случае звену тела человека являются силы его тяжести и противодействующие им совокупности силы тяги мышц, как правило, расположенных вне звена, но своими концами прикрепленных к звену на некотором расстоянии от центра его вращения. Совокупность внешних сил может быть представлена равнодействующей (одной силой, полностью заменяющей действие всех внешних сил). Это допустимо лишь в том случае, когда линии действия всех этих сил пересекаются в одной точке или когда они параллельны. В том случае, если результирующая сила равна нулю, количество движения звена не изменяется. Такое положение обычно наблюдается в том случае, когда звено тела находится в равновесии. При выполнении произвольных движений совокупное действие сил тяги мышечных групп образует соответствующий момент, приложенный к центру масс звена и по своему значению превосходящий момент силы его тяжести. В зависимости от величины совокупного момента сил тяги сопряженных с данным звеном мышечных групп, определяется величина результирующей силы, и звено приобретает соответствующее ускорение. Величина ускорения при этом прямопропорциональна силе мышечной тяги, приложенной к центру масс звена и обратнопропорциональна его массе. Это соотношение контролируется рецепторным аппаратом мышцы, сигналы о динамике этого процесса поступают в центральные отделы нервной системы, которая через эффекторные пути осуществляет управляющие воздействия на нейро - моторные элементы двигательного аппарата.

Поскольку размеры звена длительное время не изменяются (благодаря чему плечи сил тяги отдельных мышц и их равнодействующих не изменяются, координаты его центра масс постоянны, вектор силы тяжести также постоянен) единственным управляющим воздействием в такой системе может быть регулируемая величина мышечных сил, прикладываемых к звену. Это очень " удобно " для нервной системы, которая успешно контролирует сложнейший процесс практически только по одному переменному параметру - силе развиваемой мышцами при их сокращении. При чем сила, развиваемая мышцей и прикладываемая к тому или иному звену все время изменяется: изменяется ее вектор (обычно только в одной плоскости) и модуль. Оба эти показателя в процессе движения непрерывно изменяются. Величина, при помощи которой можно охарактеризовать это изменение - градиент силы (равен первой производной от силы по времени). Градиент силы изменяется не только в результате изменения нейромоторной стимуляции мышцы. Имеются факторы пассивной его регуляции: внешние силы, прикладываемые к движущемуся звену; изменение передаточного отношения в суставе при различных положениях звеньев; изменение момента силы тяги мышцы вследствие изменения угла приложения силы мышцы по отношению к продольной оси движущегося звена и др. Все эти факторы создают благоприятные условия для экономии энергии и автоматической (не осознанной) регуляции движения звеньев тела. Тем не менее, можно предположить, что рецепторный аппарат и соответствующие отделы нервной системы также определенным образом настроены именно на такую динамику двигательной функции и как бы запечатлевают в своей памяти данные механизмы в виде элементов безусловных рефлексов.

Исследование механизмов гравитационных взаимодействий позволяет получить достаточно объективную картину формирования двигательной системы человека на основных этапах его развития. Зная закономерности различных реакций человека, постоянно находящегося в гравитационном поле Земли, по-видимому, можно разработать комплекс средств и методов оптимизации процессов управления его двигательной активностью. Вполне понятно, что коренным образом изменить фундаментальные постоянные, характеризующие двигательную функцию человека и гравитационное поле Земли в большинстве случаев не представляется возможным. Однако очевидно и то, что, используя известные приемы и методы биомеханического моделирования, можно создать для человека такие искусственные условия, которые позволяют с определенной степенью точности воспроизводить ту естественную динамику гравитационных взаимодействий, которая может возникнуть только при фундаментальных изменениях ряда существенных параметров внутренней и внешней среды. Такой подход может оказаться весьма плодотворным при интенсивном направленном формировании у человека заданных систем движений путем построения целевых программ своеобразной его тренировки и адаптации к изменяющимся по определенным законам условиям гравитационных взаимодействий, утраченных элементов двигательной функции стимулированием естественных реакций больного в ответ на искусственно программируемые в условиях активной терапии воздействия гравитационного поля.

Поскольку равнодействующая сил тяжести всех точек, каждого условно обособленного, подвижного звена тела человека приложена в его центре тяжести, справедливо рассуждение о том, что эта сила также как и все другие силы, величина векторная, имеет точку приложения (координаты, относительно соответствующих антропометрических точек, которой известны), направление (которое совпадает с векторами сил тяжести каждой материальной частицы звена) и модуль, который также известен, может быть измерен или определен аналитическими методами для каждого звена). При проектировании, каких - либо искусственных заданных программ гравитационных взаимодействий необходимо учитывать все три перечисленных параметра, характеризующих равнодействующие силы тяжести всех крупнейших звеньев тела. В каждом конкретном случае, в зависимости от целей и задач моделирования, следует предусмотреть возможность дифференцированного или интегрального воспроизведения или направленного желаемого изменения всех трех параметров, характеризующих силы тяжести звеньев тела. Используя естественные механизмы биологической адаптации, направленно изменяя те или иные характеристики равнодействующих сил тяжести, можно добиться многих практически ранее не доступных биомеханическим воздействиям заданных функционально - морфологических изменений двигательной системы человека. Ориентируя определенным образом продольную ось того или иного звена тела человека относительно его линии тяжести можно направлять процесс развития и совершенствования двигательной функции практически в любом нужном русле. Теоретическое осмысление данной проблемы вполне доступно современной биомеханической методологии. Практическое решение конкретных вопросов моделирования гравитационных взаимодействий может быть реализовано различными способами на различной технической базе.

Такой подход открывает определенные перспективы в дальнейшем развитии и совершенствовании методов обучения движениям. Поскольку движения человека во многом лимитируются параметрами гравитационного поля Земли, очевидно, представляет интерес рассмотреть возможности моделирования в условиях искусственной среды соответствующих стимулов, воздействующих на гравирецепторы человека практически в любых заданных программах двигательных действий. Этот способ моделирования позволяет эффективнее адаптировать к двигательному заданию не только рецепторный аппарат, но и весь связанный с ним нейромоторный комплекс двигательного аппарата. В таких условиях происходят изменения и в других анализаторах и во всей системе двигательных поведенческих реакций.

Поступила в редакцию 28.04.2001г.

  На главную    В библиотеку    Обсудить в форуме 

При любом использовании данного материала ссылка на первоисточник обязательна!

Реклама: