Двигательный аппарат человека подразделяется на пассивный и активный. К пассивному относятся кости и связки, оказывающие сопротивление внешним силам, воздействующим на организм, за счет своих физических свойств. Активный аппарат - это система мышц, которые перемещают отдельные звенья тела относительно друг друга или закрепляют их в определенном положении.

В осуществлении любого движения, в работе каждой мышцы обязательно участвует нервная система, управляющая всеми функциями организма.

Пассивный двигательный аппарат . Кости, их соединения составляют твердую основу человеческого тела - скелет. Он служит опорой для мягких тканей, в частности для прикрепления к нему мышц.

Подвижное соединение большинства костей дает им возможность перемещаться относительно друг друга. Прикрепленные к костям мышцы, сокращаясь, закрепляют отдельные части скелета или же, наоборот, приводят их в движение. Таким образом, костно-мышечная система обеспечивает сохранение различных положений тела в пространстве, а также всевозможные движения.

Насчитывается более 200 костей, соединенных различным образом между собой (рис.66). Основа скелета - позвоночный столб , состоящий из отдельных позвонков. Позвоночный столб имеет шейный, грудной, поясничный и крестцовый изгибы, которые делают его упругим и гибким.

Рис. 66 - Общий вид скелета человека

В верхней части спины расположены две плоские кости - лопатки, прикрепляющиеся к позвоночнику и ребрам только с помощью мышц. Каждая лопатка соединяется с ключицей, которая другим своим концом соединяется с грудной костью. Лопатки и ключицы, опоясывая верхнюю часть туловища, образуют так называемый пояс верхних конечностей, или плечевой пояс (рис. 67).


Рис. 67 - Кости плечевого пояса (по наблюдениям проф. М.Ф. Иваницкого):
а - рука опущена; б - рука поднята; в - общий вид плечевою пояса сверху; г - грудиноключичный сустав.

Поясом нижних конечностей является таз. Он состоит из крестца и неподвижно соединенных с ним двух тазовых костей. И лопатки, и тазовые кости имеют круглые впадины, куда входят соответственно головки плечевых и бедренных костей.

Соединения костей бывают непрерывные, полупрерывные и прерывные, или суставы . Большинство костей соединено между собой прерывно, подвижно, в суставах.

Небольшая подвижность костей достигается при помощи упругих хрящевых прокладок между ними. Такие хрящевые прокладки находятся, например, между отдельными позвонками. При сокращении мышц с той или другой стороны позвоночника хрящевые прокладки сжимаются и позвонки чуть-чуть приближаются друг к другу (рис. 68). Таким образом позвонки, особенно в области поясницы и шеи, могут наклоняться относительно друг друга. Весь позвоночник позволяет достигать значительного размаха в движениях и может сильно сгибаться вперед, назад, в стороны и скручиваться. Вместе с гибкостью позвоночник обладает прочностью, особенно при работе на сжатие.

Рис. 68 - Непрерывное соединение костей (при помощи хряща)

Учитывая это, а главное - ту особенность строения скелета, что плечевой пояс прикрепляется к грудной клетке и позвоночнику в основном с помощью мышц, приходим к следующему выводу: удерживать, например при стрельбе стоя, винтовку, имеющую значительный вес (до 8 кг), только за счет напряжения тех же мышц плечевого пояса нецелесообразно.

Стрелок должен стремиться придать телу такую позу, которая позволяла бы переложить тяжесть оружия и туловища в большей степени на позвоночник, чтобы скелет "работал" на сжатие. Это позволит удерживать оружие значительно меньшим напряжением мышц.

Наиболее подвижными соединениями костей являются суставы (рис. 69). Кости в суставе заключены в сумку, состоящую из очень плотной соединительной ткани. В толще сумки и вокруг нее находятся прочные и упругие связки. Края сумки вместе со связками прикрепляются к костям на некотором расстоянии от их соприкасающихся поверхностей и герметически закрывают полости сустава.



Рис. 69 - Прерывные соединения костей - суставы:
а - левый локтевой сустав; б - суставы левой кисти; в - левый коленный сустав; г - суставы левой стопы.

Характер движений в различных суставах неодинаков. Одни суставы допускают движения только в одной плоскости (например, сгибание и разгибание), другие - в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (сгибание, разгибание и отведение в сторону); третьи обеспечивают движение в любом направлении, например плечевой и тазобедренный суставы (сгибание, разгибание, отведение в сторону и вращение). Размах и направление движений зависят от формы суставных поверхностей, а также от расположения связок, ограничивающих движения. Обычно, сравнивая суставные поверхности с поверхностями геометрических тел вращения (шар, цилиндр и др.), суставы классифицируют по их форме (рис. 70).



Рис. 70 - Схема основных форм суставов (по Кану)

Поскольку каждый сустав имеет большее или меньшее количество связок, следует стремиться к тому, чтобы при изготовке к стрельбе спортсмен принимал такую позу, при которой закрепление подвижных звеньев тела в суставах достигалось не столько мышечным аппаратом, сколько с помощью включения в работу прочных и упругих связок: в силу своих физических свойств они практически неутомимы. Наиболее эффективное включение в пассивную работу связочного аппарата и обеспечивает достаточно жесткое закрепление суставов при минимальных мышечных усилиях - это одно из условий достижения наибольшей неподвижности системы "тело стрелка - оружие" во время стрельбы.

Активный двигательный аппарат . Мышцы, концами своими прикрепляющиеся к костям скелета, носят название скелетных.

Вся скелетная мускулатура человека, удерживающая в различных положениях тело или приводящая его в движение, насчитывает более 600 мышц (рис. 71, 72).

Рис. 71 - Общий вид мышц человека сзади (при изготовке для стрельбы по мишени "Бегущий олень")

Рис. 72 - Общий вид мышц человека спереди

В результате сокращения мышц и развиваемого при этом напряжения происходит сближение мест их начала и прикрепления, что влечет за собой либо движение тела и конечностей, либо поддерживание их в определенной позе.

Скелетные мышцы покрыты тонкой упругой оболочкой, называемой фасцией. На концах мышца переходит в очень прочные белые тяжи - сухожилия, которые срастаются с надкостницей. Обычно оба конца мышцы прикрепляются к двум соседним костям, прерывно соединенным друг с другом. Однако во многих случаях сухожилия тянутся очень далеко, проходя через два или несколько суставов. Эти мышцы называют многосуставными. Такими мышцами являются, кстати, и мышцы - сгибатели пальцев. Не будучи полностью изолированными от других, соседних, они при сокращении, то есть при выполнении работы, могут привести в некоторое движение и кисть, и предплечье. Это может произойти, скажем, у недостаточно тренированных стрелков во время движения указательного пальца при нажатии на спусковой крючок.

Мышцы классифицируют по ряду признаков: внешней форме, выполняемой работе, расположению в теле человека и т.д. (рис. 73). Один из крупнейших физиологов - П. Ф. Лесгафт предложил подразделять мышцы на два основных типа - сильные и ловкие. Мышцы сильные обычно имеют обширную площадь прикрепления к костям. Они могут проявлять большую силу при сравнительно малом размахе движения и небольшом напряжении, отчего и не так быстро утомляются. Мышцы ловкие, наоборот, имеют малую площадь прикрепления и большую длину. Они отличаются сравнительно малой силой, действуют с большим напряжением, отчего легко утомляются. Вместе с тем они осуществляют более тонкую работу.

Рис. 73 - Классификация мышц (по М.Ф. Иваницкому)

Вполне очевидно, что поза стрелка при изготовке должна быть такой, при которой закрепление подвижных звеньев тела достигается включением в работу наиболее сильных групп мышц; ловкие же мышцы, наоборот, должны быть загружены в наименьшей степени и поставлены благодаря этому в наиболее выгодные условия для своей работы.

Сокращаясь, мышцы принимают участие в различных движениях тела, прямо противоположных одно другому. Мышцы, принимающие участие в одном и том же движении и выполняющие в данном случае общую работу, называются синергистами .

Мышцы противоположного действия называются антагонистами . Например, мышцы, участвующие в сгибании кисти, являются антагонистами по отношению к мышцам, осуществляющим разгибание кисти.

Выполнение плавных движений возможно только при содружественной работе мышц-антагонистов. Во время работы мышцы одной группы выполняют действие преодолевающего характера, другой - уступающего. Без участия мышц-антагонистов мышцы-синергисты могли бы производить только порывистые движения. Нужно сказать, что движения малотренированных людей заметно отличаются от движений людей тренированных. Недостаточно тренированные мышцы-антагонисты включаются в работу слишком рано, что придает движениям несколько резкий, порывистый характер. Выполнение физических упражнений способствует тому, что мышцы становятся не только толще, но и эластичней.

В каждом движении участвует не одна группа мышц, а несколько содружественно действующих групп. Причем многие мышцы способны действовать отдельными частями то как синергисты, то как антагонисты.

Умение изолированно управлять какой-либо мышцей или даже отдельной ее частью приходит в процессе тренировок. Стрелку это особенно важно. Тренировкой можно выработать способность производить сокращение только мышц, которые необходимы для выполнения данного движения, и сохранять в расслабленном состоянии другие мышцы, не имеющие прямого отношения к выполнению этого движения.

Работа, осуществляемая мышцами при сокращении, подразделяется на два вида - статическую и динамическую.

Статическая работа мышц осуществляется при фиксации (закреплении) подвижных звеньев тела в суставах в том или ином положении. При статической работе мышцы длительное время напряжены.

Динамическая работа мышц производится при выполнении движений отдельными звеньями тела. Напряжение мышц при такой работе чередуется с расслаблением, сокращение - с растягиванием.

В промежутках между отдельными сокращениями мышца отдыхает, что способствует восстановлению того состояния, которое было до ее сокращения, и мышца вновь оказывается вполне работоспособной. Если какая-нибудь мышца работает непрерывно, то быстро наступает утомление; длительное сокращение мышцы может довести ее до состояния полного бессилия.

При изготовке к стрельбе, когда стрелку необходима наибольшая неподвижность тела, мышцы выполняют статическую работу, то есть наименее выгодную в отношении их утомляемости. Поэтому необходимо уделять большое внимание выбору темпа стрельбы, особенно длительной, чтобы перерывы между очередным прицеливанием и прикладкой (или вскидкой руки при стрельбе из пистолета) давали бы возможность мышцам в наибольшей мере восстанавливать свою работоспособность.

Свойства и строение мышечной и нервной ткани . Основное условие жизни - взаимодействие организма с окружающей средой. Такое взаимодействие осуществляется благодаря свойству живой материи реагировать на внешние воздействия. Процесс, возникающий в организме под влиянием воздействия на него внешней или внутренней среды, называется процессом возбуждения. Этот процесс лежит в основе любого движения, совершаемого организмом.

Нервная ткань обладает свойством возбудимости и проводимости, то есть при действии на нее раздражителей приходит в состояние возбуждения и проводит это возбуждение по нервному волокну. Мышечная же ткань отличается способностью сокращаться, укорачиваясь в длину и увеличиваясь в толщину, и вследствие этого развивать напряжение.

В теле живого организма различают поперечнополосатую и гладкую мышечные ткани.

Вся скелетная мускулатура образована из поперечнополосатой мышечной ткани (рис. 74). Сокращение поперечнополосатой мышечной ткани происходит вследствие укорочения темных участков ее волокон.

Рис. 74 - Волокна поперечнополосатой мышцы

Структурной единицей мышцы является мышечное волокно. Имея в диаметре всего лишь 0,01-0,1 мм, мышечное волокно иногда достигает длины 10-12 см. Каждая мышца состоит из многих тысяч волокон.

Гладкая мышечная ткань встречается главным образом в стенках внутренних органов.

Мышцы теснейшим образом связаны с нервной системой. Это связь двусторонняя, осуществляемая посредством центробежных и центростремительных нервов (см. ниже); многочисленные окончания тех и других расположены в толще каждой мышцы.

Нервная ткань играет в живом организме исключительно важную роль; она образует нервную систему, которая управляет всей жизнедеятельностью организма, обеспечивает его взаимодействие с окружающей средой, осуществляет регуляцию функциональной деятельности всех органов.

Структурной единицей нервной системы является нейрон - нервная клетка со всеми ее отростками (рис. 75). От тела нервной клетки отходят многочисленные короткие отростки - дендриты и один длинный отросток (у человека - до 1 м) - аксон. Нервная клетка дендритами соприкасается с другими нервными клетками, вступая с ними в контакт, так называемый синапс. Благодаря таким синаптическим контактам обеспечивается взаимосвязь в нервной системе. Аксон связывает тело нервной клетки с мышцей или каким-либо другим органом.

Рис. 75 - Нервные клетки с отростками:
а - центростремительный (чувствительный нейрон); б - центробежный (двигательный) нейрон.

На своем конечном участке аксон сильно ветвится, снабжая нервными окончаниями целую группу мышечных волокон или ткань других органов.

Существуют три вида нейронов.

Центростремительные , или чувствительные , нейроны; их окончания в мышце, коже и других органах связаны с воспринимающими нервными приборами - рецепторами, которые реагируют на поступающие из внешней или внутренней среды раздражения. Возникающее в рецепторах возбуждение передается по чувствительным нейронам в соответствующие отделы центральной нервной системы.

Центробежные , или двигательные , нейроны (мотонейроны); тела этих нервных клеток находятся в центральной нервной системе (в спинном или головном мозгу), а их аксоны далеко тянутся от них к мышцам или другим органам. Двигательные нейроны по своим аксонам с большой скоростью (до 120 м в секунду) передают от различных отделов центральной нервной системы к мышцам возбуждение, которое и вызывает сокращение мышечных волокон.

Вставочные нейроны целиком находятся в центральной нервной системе и осуществляют взаимосвязь чувствительных и двигательных нервных путей между собой, а также связь между различными областями центральной нервной системы.

Мотонейрон и связанная с ним группа (в количестве 120-160) мышечных волокон представляет собой двигательную нервно-мышечную единицу (рис. 76). Такая двигательная единица работает как единое целое: возбуждение, передаваемое мотонейроном, приводит в действие всю эту группу волокон. Каждая мышца связана с несколькими сотнями и даже тысячами мотонейронов. При разных условиях деятельности нервных центров приводится в действие различное количество таких двигательных единиц, чем в основном и регулируется степень развития силы мышцей в ответ на действующее раздражение.



Рис. 76 - Схема строения двигательных нервно-мышечных единиц (работающих и в состоянии покоя)

Возбуждение в нервной и мышечной клетках имеет характер быстро нарастающей, а затем постепенно ниспадающей волны. Эта волна возбуждения получила название импульса. В естественных условиях жизнедеятельности организма следуют не одиночные импульсы, а серии их. Импульсы возбуждения, идущие к мышце, всегда следуют один за другим с большой быстротой (в организме человека - до 100 в секунду), в связи с чем мышечное волокно после каждого своего сокращения не успевает расслабиться. Это приводит к слиянию отдельных сокращений в одно длительное (тетанус). Таковы обычные сокращения скелетных мышц, которые мы наблюдаем при любых движениях тела или при закреплении его подвижных звеньев в суставах.

Если гладкие мышцы, обладающие сравнительно малой возбудимостью, сокращаются медленно (около 3 см в секунду), то поперечнополосатые, наоборот, легко возбуждаются и процесс сокращения в них происходит с большой быстротой (около 6 м в секунду). Следует иметь в виду, что в результате тренировки повышается не только сила скелетной мышцы, но и скорость ее сокращения. Сокращение и расслабление поперечнополосатой мышечной ткани, как правило, является процессом произвольным, то есть подчиняющимся нашей воле.

Нервная система организма подразделяется на периферическую и центральную.

Периферическая нервная система включает в себя многочисленные нервы, своего рода проводящие нервные пути, расположенные во всех частях тела и связанные с центральной нервной системой.

Нерв по внешнему виду представляет собой круглый или уплощенный тяж белого цвета. Он состоит из многочисленных нервных волокон, объединенных в пучки. По функции волокон нервы подразделяются на чувствительные (центростремительные), двигательные (центробежные) и смешанные.

Чувствительные нервы несут к центральной нервной системе импульсы от рецепторов различных органов и тканей. С помощью этой группы нервов осуществляется "информация" центральной нервной системы об изменениях, происходящих в окружающей организм среде или внутри него.

Двигательные нервы состоят из многочисленных длинных отростков двигательных нервных клеток; они передают из центральной нервной системы двигательные импульсы - "команды", вызывающие сокращение мышечных волокон.

Смешанные нервы . состоят из чувствительных и двигательных нервных волокон. Подавляющее большинство нервов периферической нервной системы являются смешанными. Импульсы возбуждения, следующие по одному нервному волокну, не переходят на соседние волокна. Поэтому каждая серия импульсов всегда доходит строго по назначению, точно по определенному "адресу".

В связи с малым расходованием химических веществ при возбуждении нервные волокна, входящие в состав периферической нервной системы, практически неутомимы.

Центральная нервная система представляет собой огромное скопление нервных клеток и состоит из головного мозга , находящегося в полости черепа, и спинного мозга , расположенного в позвоночном канале.

Следует знать, что нервная система осуществляет свою работу по принципу так называемого рефлекса (рефлекс - отраженное действие). Всякая ответная реакция организма на раздражение, поступающее из внешней или внутренней среды, осуществляемая при участии центральной нервной системы, называется рефлексом.

В основе любого рефлекса лежит проведение импульсов возбуждения от рецептора к исполнительному органу (мышце, железе и т.п.) через систему соединенных друг с другом нейронов. Путь по которому пробегают импульсы возбуждения, вызывающие рефлекторные действия, называется рефлекторной дугой.

В любой рефлекторной дуге можно выделить ряд последовательно связанных звеньев (рис. 77). Первое звено рефлекторной дуги - воспринимающие нервные окончания - рецепторы, расположенные в органах чувств и во всех других органах тела: мышцах, железах, сердце, легких и т.п.; второе - центростремительный (чувствительный) нерв, несущий возбуждение с периферии (от рецепторов) к центральной нервной системе; третье - какой-либо отдел центральной нервной системы, где возбуждение претерпевает сложное изменение; четвертое - центробежный (двигательный) нерв, несущий возбуждение от центральной нервной системы к той или иной мышце (органу); пятое звено - окончание центробежного нерва в исполнительном органе, производящем ответное действие.



Рис. 77 - Схема рефлекторной дуги

Вместе с тем при осуществлении любого движения характерна кольцевая рефлекторная связь . В процессе выполнения движения, чтобы точно его производить, все время необходимо многократно вносить промежуточные поправки (коррекции), которые осуществляются посредством обратной связи, несущей информацию от исполнительного органа (мышцы) в центральную нервную систему о фактическом выполнении данного движения. Сама рефлекторная дуга при этом как бы замыкается, превращаясь в рефлекторное кольцо (см. рис. 80). Этот важный механизм управления движениями был обнаружен советским физиологом Н.А. Бернштейном.

Проходя через разные отделы центральной нервной системы, каждая рефлекторная дуга благодаря вставочным нейронам связана и с высшим отделом центральной нервной системы - корой больших полушарий, поэтому последняя может "вмешиваться" в осуществление любого рефлекторного акта и соответственно регулировать его протекание.

В повседневной жизнедеятельности организма в клетках центральной нервной системы постоянно взаимодействуют два основных процесса - возбуждение и торможение, они тесно связаны между собой, постоянно сосуществуют и сменяются одно другим. Непрерывная смена, взаимодействие процессов возбуждения и торможения обусловливают выполнение любого согласованного движения (рис. 78). Так, сгибание указательного пальца при нажатии на спусковой крючок происходит благодаря возбуждению нервных центров, посылающих нервные импульсы к мышцам - сгибателя пальца, и одновременному торможению (частичному) центров, связанных с мышцами-разгибателями. Если бы существовал только процесс возбуждения, согласованная деятельность организма, всевозможные движения, выполняемые им, были бы невозможны, так как процесс возбуждения в данном случае вызвал бы сокращение не только мышц-сгибателей, но и мышц-разгибателей; при такой совместной работе мышц-антагонистов сгибание пальца, а равно и любое другое движение вообще невозможно было бы осуществить.



Рис. 78 - Взаимодействие процессов возбуждения и торможения в центральной нервной системе при выполнении какого-либо движения

Помимо огромного значения в координации деятельности нервных центров (а стало быть, и в координации движений) торможение играет еще важную охранительную роль, защищая нервные клетки от истощения, которое может наступить при длительном и сильном их возбуждении.

Процессы возбуждения и торможения в нервных центрах обладают определенной подвижностью и изменчивостью в смене друг друга, подчиняясь определенным закономерностям. Однако твердо установлено, что в процессе тренировки формируется более высокая подвижность процессов возбуждения и торможения, отчего у тренированного человека быстрота реакции значительно выше, чем у нетренированного.

Быстрота и точность любой двигательной реакции в большой мере зависит также от степени чувствительности анализаторов (органов чувств), принимающих участие в регуляции движения, в первую очередь двигательного и зрительного анализаторов. Так, неизбежное покачивание руки во время прицеливания при прочих равных условиях (стрельба из револьвера и пистолета) будет наименьшим в том случае, когда чувствительные приборы - рецепторы будут своевременно "информировать" центральную нервную систему о малейших изменениях положения руки, вслед за чем из соответствующих двигательных центров головного мозга будут поступать "команды" к нервным двигательным клеткам, ведающим сокращением мышц, возбуждая или затормаживая те или иные и тем самым регулируя положение руки. Следовательно, чем выше точность "работы" органов чувств, чем тоньше их различительная способность, тем быстрее и точнее происходит в центральной нервной системе анализ полученного раздражения, в связи с чем организм может более своевременно и точнее отвечать на него, в данном случае - соответствующим движением руки.

Анализаторы . Согласно учению И.П. Павлова, все органы чувств являются анализаторами. Каждый анализатор составляет единую систему, состоящую из трех разделов: периферического - воспринимающего аппарата (рецепторы); центростремительного нервного пути, по которому нервное возбуждение передается от периферии к центру; конечного мозгового отдела, находящегося в коре головного мозга. Кора больших полушарий головного мозга и сосредоточивает мозговые концы всех анализаторов. В связи с этим высший анализ раздражений происходит в коре головного мозга, где нервное возбуждение, поступившее из органа чувств, преобразуется в ощущение. Каждый орган чувств - анализатор воспринимает только определенный вид раздражения.

Итак, во всех органах имеются воспринимающие нервные окончания, или рецепторы, которые посылают центростремительные нервные импульсы в центральную нервную систему. Одни рецепторы расположены внутри тела и воспринимают раздражения, возникающие во внутренних органах, другие находятся у поверхности тела и воспринимают внешние раздражения. Рецепторы в связи с особенностями своего строения являются специализированными, приспособленными к возбуждению только определенными раздражителями: одни возбуждаются при раздражении светом, другие - звуком и т.д. В числе специализированных имеются и рецепторы, расположенные в вестибулярном аппарате, мышцах и сухожилиях, которые сигнализируют при каждом изменении положения тела и изменении напряжения в мышцах и сухожилиях. От работы этих анализаторов в большей мере зависят сохранение равновесия тела и регуляция сокращения скелетных мышц, в связи с чем они и должны представлять для стрелков наибольший интерес.

Вестибулярный анализатор - орган равновесия - обеспечивает определенное положение тела в пространстве и сохранение его равновесия. Периферический отдел этого анализатора - вестибулярный аппарат - расположен в височной части головы, во внутреннем ухе (рис. 79). Он состоит из отолитового аппарата и полукружных каналов. Отолитовый аппарат состоит из двух мешочков, на внутренней поверхности которых имеются чувствительные клетки, снабженные волосками. На волосках находятся маленькие комочки кристаллов извести - отолиты. Всякое изменение положения головы меняет натяжение волосков и тем самым возбуждает связанные с волосками окончания нервных волокон рецепторов. Порог различения вестибулярным аппаратом наклона головы и туловища в сторону составляет 1°, вперед и назад - 1,5-2°. Импульсы, идущие от отолитового аппарата, вызывают рефлекторные реакции, способствующие сохранению равновесия тела. От одного из мешочков отолитового аппарата отходят в трех взаимно перпендикулярных плоскостях три полукружных канала, заполненных жидкостью - эндолимфой. При всяком движении головы находящаяся в них жидкость производит своим колебанием давление на чувствительные клетки, связанные с окончаниями нервных волокон. Возникающие при этом импульсы вызывают рефлекторные реакции, ведущие к сохранению равновесия тела при движениях. Таким образом, всякое изменение положения головы влечет за собой возбуждение рецепторов отолитового аппарата.



Рис. 79 - Схема вестибулярного аппарата

Двигательный (кинестетический или суставно-мышечный ) анализатор обеспечивает регуляцию сокращения скелетных мышц, играя тем самым важнейшую роль в координации (согласованности) движений.

Периферическая часть двигательного анализатора - проприорецепторы - заложена в толще мышц, сухожилиях и связках суставов. Их имеется несколько видов, отличающихся своим устройством. Большей частью проприорецепторы представляют собой разветвленное окончание чувствительного нерва, оплетающее в виде спиральки мышечное или сухожильное волокно. Другой, наиболее часто встречающийся вид проприорецептора - сложно устроенный специальный орган, называющийся мышечным веретеном (рис. 80); эти веретена в большинстве случаев находятся между мышечными волокнами, реже - внутри сухожилий. Сигналы с проприорецепторов, следуя по центростремительным (чувствительным) нервным волокнам, а затем по вставочным нейронам, достигают различных отделов центральной нервной системы; они достигают и коры больших полушарий, вызывая ощущение, называемое мышечным чувством , которым, как указывал еще И.М. Сеченов, сопровождается всякое движение звеньев тела и изменение в их взаиморасположении. На основании сигналов, следующих с проприорецепторов (в сочетании с сигналами, следующими с рецепторов вестибулярного, зрительного и других аппаратов), центральная нервная система непрерывно корректирует и согласовывает деятельность двигательного аппарата (о чем подробно будет сказано ниже).



Рис. 80 - Схема периферической (спинномозговой) регуляции мышечного тонуса

Кстати, следует отметить, что, по данным исследований (М.А. Иткис), точность воспроизведений движений в плечевом, локтевом и голеностопном суставах у стрелков существенно не отличается от способности дифференцировать движения лицами, не занимающимися спортом. Так, точность воспроизведения изготовки стоя в целом без прямого участия зрения (при закрытых глазах) через 30-60 сек. после прицеливания снижается в среднем на 95%, в том числе и у многих опытных стрелков. Полученные данные свидетельствуют о том, что суставно-мышечная чувствительность у стрелков находится на недостаточно высоком уровне (см. рис. 96) и что ее необходимо всемерно развивать с помощью специальных подготовительных упражнений.

Согласованная, точно корректируемая деятельность двигательного аппарата возможна благодаря еще одному свойству центральной нервной системы - взаимодействию нервных импульсов, следующих из различных анализаторов, на их общих конечных двигательных путях. Дело в том, что в центральной нервной системе имеется чувствительных нейронов в несколько раз больше, чем двигательных; поэтому двигательные импульсы, следующие из различных нервных центров к мышцам, сходятся к общим конечным путям, которыми являются двигательные нейроны спинного мозга. Так, к одному и тому же двигательному нейрону, длинный отросток которого является конечным и выносным нервным путем к мышечным волокнам, сходятся импульсы от коры больших полушарий, вестибулярного аппарата, различных отделов центральной нервной системы и т.д. (рис. 81). Импульсы, следующие по различным двигательным путям, "конкурируют" друг с другом за обладание этим последним нервным путем к мышце (Е.К. Жуков). При этом происходит соподчинение рефлексов в зависимости от их важности в данный момент для организма, а другие, менее важные рефлексы затормаживаются. Благодаря такому свойству центральной нервной системы организм имеет возможность своевременно отвечать различными движениями на многочисленные раздражения, поступающие из внешней или внутренней среды.

Рис. 81 - Схематическое изображение основных звеньев нервного механизма управления движениями

Итак, мы познакомились в общих чертах с двигательным аппаратом человека. Чтобы иметь целостное представление о нервном механизме управления движениями, на рис. 81 приведена схема проводящих нервных путей, по которым сигналы, воспринимаемые двигательным, зрительным и вестибулярным анализаторами, передаются через центральную нервную систему исполнительным органам - скелетным мышцам, которые, сокращаясь, производят то или иное движение либо удерживают тело человека в определенной позе.

Теперь мы можем перейти к рассмотрению вопросов, касающихся деятельности двигательного аппарата человека по обеспечению наиболее неподвижной изготовки.

Основные черты деятельности двигательного аппарата по сохранению позы тела неизменной . Всевозможные движения, совершаемые человеком, условно можно подразделить на произвольные и непроизвольные.

Наиболее сложные движения, играющие главную роль в бытовой и трудовой деятельности человека, - произвольные, сознательно совершаемые. Так, во время стрельбы произвольными движениями, совершаемыми по нашей воле, являются: подъем и опускание оружия, перезаряжение его, нажатие на спусковой крючок и др. Непроизвольные, сравнительно простые движения играют вспомогательную роль в двигательной деятельности организма. К ним относятся, например, различные защитные и ориентировочные рефлексы: поворот головы в сторону неожиданного выстрела, моргание, отдергивание руки при болевых раздражениях. Вместе с тем непроизвольными могут быть и более сложные движения, осуществляемые работой многих нервных центров головного и спинного мозга - движения, предохраняющие тело от падения. Такими, например, непроизвольными движениями при стрельбе являются непрекращающиеся большие или меньшие колебания тела стрелка во время прицеливания. На этой группе движений, связанных с сохранением позы, соблюдением равновесия тела, то есть движений, предопределяющих устойчивость и наибольшую возможную степень неподвижности изготовки для стрельбы, мы и остановимся несколько подробнее.

В процессе эволюционного развития животных и человека постепенно возникла и закрепилась определенная установка головы и тела в пространстве, обеспечивающая правильную ориентировку организма в окружающей среде. Необходимость сохранения равновесия и правильного нормального положения тела привела к тому, что деятельность всей скелетной мускулатуры стала очень слаженной, строго согласованной, направленной на сохранение определенной позы.

Сохранение нормальной позы обеспечивается тем, что скелетные мышцы, обладающие способностью к укорочению и растягиванию, находятся всегда, даже когда тело неподвижно, в состоянии некоторого, так сказать, предварительного непроизвольного напряжения. Это состояние постоянного напряжения получило название мышечного тонуса . Благодаря наличию мышечного тонуса сохраняется определенное взаиморасположение различных частей тела у животных и у человека. Мышечный тонус в своей основе является рефлексом на растяжение. Сила тяжести тела, под действием которой тело стремится упасть, а его подвижные звенья переместиться вниз, вызывает непрерывное растяжение скелетных мышц; при этом возникают раздражения в проприорецепторах мышц и сухожилий, посылающих в центральную нервную систему импульсы, в ответ на которые и происходит длительное неутомимое напряжение скелетных мышц - мышечный тонус. Тонус скелетных мышц представляет собой рефлекторное явление, связанное с деятельностью многих отделов центральной нервной системы. Изменение и регуляция тонуса в огромной мере зависят от импульсов - сигналов с рецепторов вестибулярного аппарата, органов зрения и с кожной поверхности, которые по центростремительным проводящим нервным путям передаются в различные отделы центральной нервной системы; последние при участии коры больших полушарий и регулируют тоническую деятельность скелетных мышц (см. рис. 81).

В процессе постепенного развития в человеческом организме возникла и закрепилась группа тонических рефлексов, направленных на сохранение равновесия тела при угрозе его нарушения и на восстановление нормальной позы в тех случаях, когда равновесие уже нарушено. Эта группа реакций получила название установочных тонических рефлексов . К ним относятся: рефлексы позы, возникающие при изменении положения головы в пространстве и по отношению к туловищу; рефлексы выпрямления, возникающие, когда нормальная поза организма нарушена. Все эти сложные рефлексы заключаются в непроизвольном, автоматическом перераспределении тонуса мышц конечностей, шеи и туловища.

Однако в связи с таким непрекращающимся перераспределением в напряжении мышц-сгибателей и мышц-разгибателей, непрерывным действием мышц в качестве противодействия внешним силам тело человека не может быть совершенно неподвижным; оно все время испытывает некоторые колебания. Естественно, стрелка должны интересовать те условия, при которых колебания тела под действием и противодействием мышц будут наименьшими.

В сохранении равновесия тела, а следовательно, и величины его колебания большое значение имеет, как уже говорилось, деятельность вестибулярного аппарата, в рецепторах которого возникают нервные импульсы при изменении положения головы.

Следовательно, при изменении наклона головы и туловища возникает ряд рефлексов, направленных на восстановление исходного, нормального положения. Как только человек, даже не меняя положения туловища, наклонит голову, сразу же из вестибулярного аппарата начнут следовать импульсы, скажущиеся на изменении мышечного тонуса, то есть напряжении определенных групп мышц.

Из этого можно сделать важный вывод о том, что тело стрелка при изготовке к стрельбе будет испытывать значительно меньший размах колебаний тогда, когда постановка головы будет нормальной, без наклона в ту или иную сторону. В этом случае порог различения наклона тела, "чувствительность" вестибулярного аппарата будет наибольшей.

Значение вестибулярного аппарата в обеспечении устойчивости того или иного положения для стрельбы очень велико. Чем больше развит и натренирован орган равновесия, тем лучше его взаимосвязь с работой скелетной мускулатуры, направленной на сохранение позы тела неизменной. По этому поводу проф. А.Н. Крестовников писал ("Физиология человека". Под ред. А.Н. Крестовникова. ФиС, 1954):

"Помимо этих данных, показывающих высокую степень устойчивости вестибулярного аппарата у представителей фигурного катания можно указать на высокую степень меткости стрельбы у них (Касьянов), что связано с высокой статической устойчивостью. Н.А. Панин был не только мировым чемпионом по фигурному катанию, но и блестящим метким стрелком".

Рефлексы позы осуществляются при раздражении мышц и сухожилий шеи, а также рецепторов кожи в области шеи, получивших название шейно-сухожильных тонических рефлексов позы .

Из сказанного стрелок также должен сделать для себя соответствующий вывод: при изготовке для стрельбы не следует чрезмерно тянуться головой к прицелу, откидывать голову назад, с большим усилием прижиматься щекой к прикладу винтовки, то есть чрезмерно напрягать мышцы шеи и их сухожилия, чтобы не вызывать сильного раздражения рецепторов, расположенных в них, и в связи с этим возникновения потока импульсов, которые приведут к рефлекторному перераспределению тонуса скелетной мускулатуры и увеличению колебаний, покачиванию тела.

Следует помнить и о том, что в сохранении равновесия и неизменяемости позы тела особое значение имеют импульсы, следующие от мышц и сухожилий при их растяжении (см. рис. 80); беспрерывно сигнализируя о положении тела в пространстве, мышцы, сухожилия и суставы оказывают громадное влияние на перераспределение мышечного тонуса, а следовательно, существенно влияют на степень покачивания тела. Поэтому при выборе для себя того или иного варианта изготовки нужно стремиться к тому, чтобы закрепление подвижных звеньев тела, а также удерживание всего тела в той или иной позе достигалось наименьшим включением в работу активного мышечного аппарата. Этого можно достичь в том случае, если мышцы фиксируют суставы так, что кости опираются друг на друга и закрепляются главным образом за счет связочного аппарата (см. ниже).

При меньшем числе усиленно функционирующих мышечных групп во время изготовки будет предотвращен и чрезмерный поток чувствительных и двигательных нервных импульсов, отчего улучшатся и предпосылки к удержанию тела в неизменной позе, с наименьшим размахом колебаний.

В заключение остановимся еще на одном возможном приеме уменьшения непроизвольных колебаний тела при изготовке, применяемом некоторыми стрелками высшего класса, достигшими очень высокой степени тренированности в управлении своим двигательным аппаратом. Этот прием основан на сознательном вмешательстве в протекание непроизвольных двигательных реакций, возможность чего хорошо известна. Так, например, человек периодически моргает, даже не замечая этого; такое непроизвольное движение века совершается обычно бессознательно, автоматически. Однако в любой момент человек может взять под контроль сознания выполнение этого движения, и оно при этом становится произвольным: можно зажмурить глаза или, наоборот, умышленно не моргать. Дыхательные циклы протекают непроизвольно, однако в любой момент человек может сознательно задержать дыхание, не дышать. На резкое болевое раздражение организм отвечает непроизвольным движением, однако, ожидая такое повторное болевое раздражение, человек может заставить себя реагировать на него значительно слабее. Во время стояния тело под действием и противодействием мышц непрерывно непроизвольно покачивается; но при желании, взяв под контроль сознания такое движение, можно в какой-то степени им управлять. Эту особенность и используют некоторые ведущие стрелки для уменьшения непроизвольных колебаний своего тела с оружием во время стрельбы.

Уменьшение размаха непроизвольных колебаний тела за счет некоторого погашения их произвольным активным противодействием возможно при тонко дифференцированном, с предельной точностью осуществляемом управлении двигательным аппаратом, основанном на высокоразвитом мышечном чувстве, когда стрелок ощущает каждое движение своего тела и перемещение оружия. Конечно, подобный способ управления своим двигательным аппаратом возможен при очень высоком уровне тренированности спортсмена и выработанной высокой чувствительности различных анализаторов. Преждевременные попытки применения подобного метода недостаточно тренированными стрелками, как правило, приводят к обратным результатам из-за включения в работу мышц невпопад и появления чувства общей скованности движений. Однако при любых обстоятельствах следует помнить о том, что высокоразвитое мышечное чувство всегда является хорошим помощником в достижении наибольшей неподвижности системы "тело стрелка - оружие". Поэтому следует всемерно стремиться к его развитию, чтобы во время изготовки не было отдельных излишне напряженных групп мышц и не возникали при этом перенапряжении мощные центростремительные импульсы, которые могут, так сказать, заглушить более слабые сигналы, следующие от других, менее напряженных мышц, что в какой-то мере искажает "информацию", поступающую в кору больших полушарий из двигательного анализатора, и в конечном счете отрицательно сказывается на устойчивости тела при изготовке к стрельбе.

Отрицательное действие наклона головы, напряжения мышц и сухожилий шеи, перенапряжения отдельных групп скелетных мышц проявляется не только в перераспределении мышечного тонуса, увеличивающего колебания всей системы; возникающие при этом мощные потоки центростремительных импульсов, непрерывно и длительное время следующие от рецепторов в центральную нервную систему, приводят к сильному и сравнительно быстрому утомлению и двигательных нервных центров, и мышечного аппарата стрелка, что плохо отражается на качестве стрельбы, особенно такой, как "стандарты", выполнение которых требует длительного времени. Поэтому стрелок должен стремиться создать наиболее благоприятные условия для функционирования двигательного аппарата не перегружая его чрезмерно длительной статической работой при производстве каждого выстрела.

Таковы общие, элементарные сведения о двигательном аппарате без которых, однако, очень трудно, если не сказать - невозможно, при современном уровне развития стрелкового спорта грамотно решать практические вопросы, связанные с выбором для себя правильного и перспективного варианта изготовки. Конечно, изложенный выше материал о двигательном аппарате человека является очень сжатым. Поэтому крайне желательно, чтобы стрелок не ограничивался изложенным, а обращался к специальным учебникам по анатомии и физиологии человека.

Точность двигательных действий имеет две разновидности: целевая точность и точность воспроизведения заданной внешней картины движений (например, при выполнении «школы» в фигурном катании). Целевая точность оценивается отклонением точки попадания от центра мишени (например, в стрельбе) или отношением числа успешно выполненных двигательных действий к их общему числу (ударов в боксе и спортивных играх, бросков в борьбе, передач и приемов мяча и т. п.).

Эстетичность оценивается близостью кинематики (т. е. внешней картины движения) к эстетическому идеалу-общепринятому или принятому в данном виде спорта (фигурном катании, художественной гимнастике, синхронном плавании и т. п.).

Комфортабельными считаются плавные движения. Чем больше сотрясается тело при ходьбе, беге и т. п., тем ниже комфортабельность.

Безопасность тем выше, чем меньше вероятность травмы.

Трудоемкость биомеханического анализа и польза от него зависят от того, насколько педагог стремится разобраться в технике и тактике своих учеников. Различают системно-структурный и функциональный подходы к анализу двигательной деятельности.

Функциональный подход позволяет констатировать те или иные несовершенства техники и тактики. Например, на уроке физкультуры можно увидеть, что техника подтягивания у многих отличается от эталонной, рекомендованной в комплексе ГТО. Но как ее исправить? Функциональный подход не дает ответа на этот вопрос. На его знамени написано: овладевать процессом управления без полного раскрытия его внутренней природы. Понятно, что такой путь ненадежен. Не имея ясных рекомендаций для устранения недочетов в технике и тактике, преподаватель вынужден действовать наугад.

Системно-структурный подход дает более конкретные рекомендации. Педагог, применяющий при обучении своих учеников системно-структурный подход, стремится к познанию состава и структуры двигательной деятельности, т. е. к ответу на вопросы, из каких элементов она состоит и как они связаны между собой. Кроме того, выясняют внутренние механизмы, т. е. стремятся ответить на вопрос, почему двигательные действия выполнены именно так, а не иначе. Наиболее широко распространенным приемом системно-структурного -подхода является выполняемое по определенным правилам разделение двигательного действия на части («фазы») (см. рис. 2). В главе 6 рассказывается об этих правилах.

Функциональный и системно-структурный подходы к анализу и совершенствованию двигательной деятельности дополняют друг друга. Применяя системно-структурный подход, педагог ведет анализ от сложного к простому. Элементы двигательной деятельности, находящиеся на нижней ступени иерархической лестницы, остаются нераскрытыми, недетализированными и рассматриваются уже с позиций функционального подхода. Уровень, на котором системно-структурный подход переходит в функциональный, зависит от решаемых задач.

Например, при тактической подготовке двигательные действия (технические элементы) считаются «неделимыми кирпичиками», из которых складывается двигательная деятельность. А при технической подготовке детально изучается взаимодействие мышц, костей, суставно-связочного аппарата. Но по отношению к отдельным элементам двигательного аппарата применяется функциональный подход: их строение и функционирование на молекулярном уровне обычно не рассматриваются.

В современной биомеханике гармонично переплетаются идеи и методы оптимизации двигательной деятельности, функционального и системно-структурного подходов, автоматизированного контроля за технико-тактическим мастер-

Рис. 6. Кроссворд.

По горизонтали. 1. Основоположник отечественной биомеханической школы. 2. Наука о двигательных возможностях и двигательной деятельности человека и животных. 3. Критерий оптимальности.

По вертикали. 1. Способ взаимосвязи между элементами системы. 2. Раздел биомеханики, изучающий внешнюю картину движений. 3. Критерий оптимальности.

ством, моделирования техники и тактики на электронно-вычислительных машинах. Но главным остается мысль и труд исследователя, постигающего закономерности движений, и педагога, который использует эти достижения в учебном и тренировочном процессах.

Контрольные вопросы

1. Что изучает биомеханика?

2. Каковы основные разделы биомеханики?

3. В чем различия между такими понятиями, как «движение», «двигательное действие» и «двигательная деятельность»?

4. Перечислите основные этапы биомеханического анализа.

5. Что такое оптимизация двигательной деятельности?

6. Какие критерии оптимальности двигательной деятельности вам известны?

7. В чем заключается главное отличие функционального подхода от системно-структурного?

8. Что такое топография работающих мышц?

9. Приведите примеры ситуаций из практики физического воспитания и спорта, когда необходимо биомеханическое обоснование:

а) техники двигательных действий; б) тактики двигательной деятельности.

10. Решите кроссворд (рис. 6).

Глава 2. Двигательный аппарат человека

Наука механика потому столь благородна и полезна более всех прочих наук, что, как оказывается, все живые существа, имеющие способность к движению, действуют по ее законам.

Леонардо да Винчи

Познай себя!

Двигательный аппарат человека - это самодвижущийся механизм, состоящий из 600 мышц, 200 костей, нескольких сотен сухожилий. Эти цифры приблизительны, поскольку некоторые кости (например, кости позвоночного столба, грудной клетки) срослись друг с другом, а многие мышцы имеют несколько головок (например, двуглавая мышца плеча, четырехглавая мышца бедра) или делятся на множество пучков (дельтовидная, большая грудная, прямая мышца живота, широчайшая мышца спины и многие другие). Считается, что двигательная деятельность человека сравнима по сложности с человеческим мозгом - самым совершенным созданием природы. И подобно тому как изучение мозга начинают с исследования его элементов (нейронов), так и в биомеханике прежде всего изучают свойства элементов двигательного аппарата.

Двигательный аппарат состоит из звеньев. Звеном называется часть тела, расположенная между двумя соседними суставами или между суставом и дистальным концом. Например, звеньями тела являются: кисть, предплечье, плечо, голова и т. д.

Геометрия масс тела человека

Геометрией масс называется распределение масс между звеньями тела и внутри звеньев. Геометрия масс количественно описывается масс-инерционными характеристи- ками. Важнейшие из них - масса, радиус инерции, момент инерции и координаты центра масс.

Масса (т) - это количество вещества (в килограммах) , содержащееся в теле или 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. Вес тела (в Ньютонах) P = m-(g, где g = 9,8 -? -ускорение свободнопадающего тела.

Масса характеризует инертность тела при поступательном 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 служит момент инерции:

где /?Ш - радиус инерции - среднее расстояние от оси вращения (например, от оси сустава) до материальных точек тела.

Центром масс называется точка, где пересекаются линии действия всех сил, приводящих тело к поступательному движению и не вызывающих вращения тела. В поле гравитации (когда действует сила тяжести) центр масс совпадает с центром тяжести. Центр тяжести - точка, к которой приложена равнодействующая сил тяжести всех частей тела. Положение общего центра масс тела определяется тем, где находятся центры масс отдельных звеньев. А это зависит от позы, т. е. от того, как части тела расположены друг относительно друга в пространстве.

В человеческом теле около 70 звеньев. Но столь подробного описания геометрии масс чаще всего и не требуется. Для решения большинства практических задач достаточно 15-звенной модели человеческого тела (рис. 7). Понятно, что в 15-звенной модели некоторые звенья состоят из нескольких элементарных звеньев. Поэтому такие укрупненные звенья правильнее называть сегментами.

Цифры на рис. 7 верны для «среднего человека», они получены путем усреднения результатов исследования многих людей. Индивидуальные особенности человека, и в первую очередь масса и длина тела, влияют на геометрию масс.

Рис. 7. 15 - звенная модель человеческого тела:

справа - способ деления тела на сегменты и масса каждого сегмента (в % к массе тела)!; слева - места расположения центров масс сегментов (в % к длине сегмента)-см. табл. 1 (по В. М. Зациорскому, А. С. Аруину, В. Н. Селуянову)

В. Н. Селуянов установил, что массы сегментов тела можно определить с помощью следующего уравнения: т. = В0 + В,т + В,Н, где /их - масса одного из сегментов тела (кг), например стопы, голени, бедра и т. д.; т - масса всего тела (кг); Н - длина тела (см); В0, В\, В2 - коэффициенты регрессионного уравнения, они различны для разных сегментов (табл. 1).

Примечание. Величины коэффициентов округлены и верны для взрослого мужчины.

Для того чтобы уяснить, как пользоваться таблицей 1 и другими подобными Таблица (находится в справочных материалах нашего сайта)ми, вычислим, например, массу кисти человека, у которого масса тела равна 60 кг, а длина тела 170 см.

Масса кисти =-0,12+ 0,004X60 +0,002 XI70 = 0,46 кг. Зная, каковы массы и моменты инерции звеньев тела и где

Таблица (находится в справочных материалах нашего сайта) 1

Коэффициенты уравнения для вычисления массы сегментов тела по массе (т) и длине (Я) тела расположены их центры масс, можно решить много важных практических задач. В том числе:

Определить количество движения, равное произведению массы тела на его линейную скорость (m-v);

Определить кинетический момент, равный произведению момента инерции тела на угловую скорость (/со); при этом нужно учитывать, что величины момента инерции относительно разных осей неодинаковы;

Оценить, легко или трудно управлять скоростью тела или отдельного звена;

Определить степень устойчивости тела и т. д.

Из этой формулы видно, что при вращательном движении относительно той же оси инертность человеческого тела зависит не только от массы, но и от позы. Приведем пример.

На рис. 8 изображена фигуристка, выполняющая вращение. На рис. 8, А спортсменка вращается быстро и делает около 10 оборотов в секунду. В позе, изображенной на рис. 8, Б, вращение резко замедляется и затем прекращается. Это происходит потому, что, отводя руки в стороны, фигуристка делает свое тело инертнее: хотя масса (от) остается той же, увеличивается радиус инерции (#Ин) и, следовательно, момент инерции.

Рис. 8. Замедление вращения при изменении позы:

Л - меньшая; Б - большая величина радиуса инерции и момента инерции, который пропорционален квадрату радиуса инерции (/=тЯ2ив)

Еще одной иллюстрацией сказанному может быть шуточная задача: что тяжелее (точнее, инертнее) - килограмм железа или килограмм ваты? При поступательном движении их инертность одинакова. При круговом движении труднее перемещать вату. Ее материальные точки дальше отстоят от оси вращения, и поэтому момент инерции значительно больше.

Звенья тела как рычаги и маятники

Биомеханические звенья представляют собой своеобразные рычаги и маятники.

Как известно, рычаги бывают первого рода (когда силы приложены по разные стороны от точки опоры) и второго рода. Пример рычага второго рода представлен на рис. 9,Л: гравитационная сила (F^) и противодействующая ей сила мышечной тяги (;F2) приложены по одну сторону от точки опоры, находящейся в данном случае в локтевом суставе. Подобных рычагов в теле человека большинство. Но есть и рычаги первого рода, например голова (рис. 9, Б) и таз в основной стойке.

Задание: найдите рычаг первого рода на рис. 9, А.

Рычаг находится в равновесии, если равны моменты противодействующих сил (см. рис. 9,Л):

Г2 - сила тяги двуглавой мышцы плеча; /2 - короткое плечо рычага, равное расстоянию от места прикрепления сухожилия до оси вращения; а - угол между направлением действия силы и перпендикуляром к продольной оси предплечья.

Рычажное устройство двигательного аппарата дает человеку возможность выполнять дальние броски, сильные удары и т. п. Но ничто на свете даром не дается. Мы выигрываем в скорости и мощности движения ценой увеличения силы мышечного сокращения. Например, для того чтобы, сгибая руку в локтевом суставе, перемещать груз массой 1 кг (т. с. с силой тяжести 10 Н) так, как показано на рис. 9, А, двуглавая мышца плеча должна развить силу 100-200 Н.

«Обмен» силы на скорость тем более выражен, чем больше соотношение плеч рычага. Проиллюстрируем это важное положение примером из гребли (рис. 10). Все точки весла-тела, движущегося вокруг оси, имеют одну и ту же угловую скорость со= -. Но их линейные скорости неодинаковы. Линейная скорость (и) тем выше, чем больше радиус вращения (г): v = o)-r. Следовательно, для увеличения скорости нужно увеличивать радиус вращения. Но тогда придется во столько же раз увеличить и силу, прикладываемую к веслу. Именно поэтому длинным веслом

Рис. 10. При одинаковом угловом перемещении (ф) и угловой скорости траектория (показана пунктиром) тем длиннее, прикладываемая к веслу сила (показана стрелками) тем больше и линейная скорость V~(i>r тем выше, чем больше радиус вращения (г) труднее грести, чем коротким, бросить тяжелый предмет на дальнюю дистанцию труднее, чем на близкую, и т. д. Об этом знал еще Архимед, руководивший обороной Сиракуз от римлян и изобретавший рычажные приспособления для метания камней.

Руки и ноги человека могут совершать колебательные движения. Это делает наши конечности похожими на маятники. Наименьшие затраты энергии на перемещение конечностей имеют место, когда частота движений на 20- 30% больше частоты собственных колебаний руки или ноги:

Рис. 9. Примеры рычагов тела человека:

1 - предплечье-рычаг второго рода; Б - голова-рычаг первого рода

Эти 20-30% объясняются тем, что нога не является однозвенным цилиндром, а состоит из трех сегментов (бедра, голени и стопы). Обратите внимание: собственная частота колебаний не зависит от массы качающегося тела, но уменьшается при увеличении длины маятника.

Делая частоту шагов или гребков при ходьбе, беге, плавании и т. п. резонансной (т. е. близкой к собственной частоте колебаний руки или ноги), удается минимизировать затраты энергии.

Замечено, что при наиболее экономичном сочетании частоты и длины шагов или гребков человек демонстрирует существенно повышенную физическую работоспособность. Это полезно учитывать не только при тренировке спортсменов, но и при проведении физкультурных занятий в школах и группах здоровья.

Любознательный читатель может спросить: чем объясняется высокая экономичность движений, выполняемых с резонансной частотой? Это происходит потому, что колебательные движения верхних и нижних конечностей сопровождаются рекуперацией механической энергии (от лат. recuperatio - получение вновь или повторное использование). Простейшая форма рекуперации - переход потенциальной энергии в кинетическую, затем снова в потенциальную и т. д. (рис. 11). При резонансной частоте движений такие преобразования осуществляются с минимальными потерями энергии. Это означает, что метаболическая энергия, однажды созданная в мышечных клетках и перешедшая в форму механической энергии, используется многократно - ив этом цикле движений, и в последующих. А если так, то потребность в притоке метаболической энергии уменьшается.

Рис. 11. Один из вариантов рекуперации энергии при циклических движениях: потенциальная энергия тела (сплошная линия) переходит в кинетическую (пунктир), которая вновь преобразуется в потенциальную и способствует переходу тела гимнаста в верхнее положение; цифры на графике соответствуют пронумерованным позам спортсмена

Благодаря рекуперации энергии выполнение циклических движений с темпом, близким к резонансной частоте колебаний конечностей,- эффективный способ сохранения и накопления энергии. Резонансные колебания способствуют концентрации энергии, и в мире неживой природы они иногда небезопасны. Например, известны случаи разрушения моста, когда по нему шло воинское подразделение, четко отбивая шаг. Поэтому по мосту положено идти не в ногу.

Механические свойства костей и суставов

Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции.

Кости черепа, грудной клетки и таза защищают внутренние органы. Опорную функцию костей выполняют кости конечностей и позвоночника.

Кости ног и рук продолговатые и трубчатые. Трубчатое строение костей обеспечивает противодействие значительным нагрузкам и вместе с тем в 2-2,5 раза снижает их массу и значительно уменьшает моменты инерции.

Различают четыре вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

При растягивающей продольной силе кость выдерживает напряжение 150 Н/мм2. Это в 30 раз больше, чем давление, разрушающее кирпич. Установлено, что прочность кости на растяжение выше, чем у дуба, и почти равна прочности чугуна.

При сжатии прочность костей еще выше. Так, самая массивная кость-болынебсрцовая выдерживает вес 27 человек. Предельная сила сжатия составляет 16000- 18000 Н.

При изгибе кости человека также выдерживают значительные нагрузки. Например, силы 12000 Н (1,2 т) недостаточно, чтобы сломать бедренную кость. Подобный вид деформации широко встречается и в повседневной жизни, и в спортивной практике. Например, сегменты верхней конечности деформируются на изгиб при удержании положения «крест» в висе.на кольцах.

При движениях кости не только растягиваются, сжимаются и изгибаются, но также и скручиваются. Например, при ходьбе человека моменты скручивающих сил могут достичь 15 Нм. Эта величина в несколько раз меньше предела прочности костей. Действительно, для разрушения, например, большеберцовой кости момент скручивающей силы должен достичь 30-140 Нм ".

Особенно велики допустимые механические нагрузки у спортсменов, потому что регулярные тренировки приводят к рабочей гипертрофии костей. Известно, что у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у футболистов - внешняя часть кости плюсны, у теннисистов - кости предплечья и т. д.

Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую, как в капсуле, хранит суставная сумка. Синовиальная жидкость обеспечивает уменьшение коэффициента трения в суставе примерно в 20 раз. Поразителен характер действия «выжимающейся» смазки, которая при снижении нагрузки на сустав поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении нагрузки выжимается для смачивания поверхности сустава и уменьшения коэффициента трения.

Действительно, величины сил, воздействующих на суставные поверхности, огромны и зависят от вида деятельности и ее интенсивности (табл. 2).

Примечание. Еще выше силы, действующие на коленный сустав; при массе тела 90 кг они достигают: при ходьбе 7000 Н, при беге 20 000 Н.

1 Сведения о величинах сил и моментов сил, приводящих к деформации костей, приблизительны, а цифры, по-видимому, занижены, поскольку получены преимущественно на трупном материале. Но и они свидетельствуют о многократном запасе прочности человеческого скелета. В некоторых странах практикуется прижизненное определение прочности костей. Такие исследования хорошо оплачиваются, но приводят к увечьям или гибели испытателей и потому антигуманны. 26