Биомеханические системы в спорте

В современной технологии спорта и спортивно-педагогической деятельности можно выделить несколько основных направлений повышения работоспособности спортсменов. Это, в первую очередь, рациональное использование известных законов биохимии, физиологии, физики, механики и различных инженерных наук в учебно-тренировочном и соревновательном процессах. К ним можно отнести информацию о биомеханических эргогенных средствах, применяемых в спорте, в частности, спортивную экипировку и одежду, спортивные сооружения, автоматизированные системы управления тренировочным процессом, гравитационные биомеханические стимуляторы и тренажерные устройства.

Методика применения специальных биомеханических эргогенных средств в спорте базируется не только на знаниях известных законов физики, но и на знаниях современных технологий спортивной тренировки. Для повышения работоспособности спортсменов специалисты, как правило, одновременно используют знание сил гравитации, инерции, законов сопротивления среды, учитывают биомеханические закономерности двигательной системы человека и тактико-технические особенности соревновательной и тренировочной деятельности.

Для того чтобы успешно ориентироваться в различных направлениях использования современных биомеханических эргогенных средств в спорте, необходимо знание закономерности пространственного ориентирования тела спортсмена относительно различных систем координат, а также основных причин, вызывающих те или иные движения тела человека. Такими причинами, как известно, являются силы и силовые взаимодействия — силы сопротивления среды, упругости, трения, гравитации и др.

Анализируя те или иные движения спортсменов, следует знать особенности устройства многочисленных костных рычагов и закономерности работы скелетной мускулатуры.
Специалисты при разработке современных биомеханических технологий в настоящее время, как правило, большое внимание уделяют конструированию и разработке спортивной одежды и экипировке, гравитационным биомеханическим стимуляторам, тренажерам и спортивным средствам передвижения. Все современные эргогенные средства, как правило, «вооружаются» также достаточно совершенной компьютерной техникой и автоматизированными системами управления, которые позволяют обрабатывать большие массивы информации, выделять в ней оптимальные и рациональные подсистемы.

Организм человека — сложная биомеханическая система, в которой в органическом единстве взаимодействуют различные физические, химические, биологические подсистемы. Результатом такого взаимодействия являются сложные двигательные проявления различных его функций (Лапутин, 1999).

Двигательная функция — одна из важнейших функций организма. В процессе эволюции организм человека, как открытая, но относительно обособленная биологическая система, приобрел способность к активным движениям благодаря наличию эффективных механизмов обмена энергией, веществом и информацией с окружающей средой. Характер и закономерности организации этих движений во многом определяют те проявления жизнедеятельности его организма, которые принято объединять под общим понятием — двигательная функция человека. Состояние двигательной функции отражает способность конкретной биологической системы улавливать, накапливать и преобразовывать различные виды энергии, веществ и информации. Эта способность может быть измерена и изучена путем объективного исследования механических движений и других физических проявлений биологической системы организма.

Поскольку материя и движения как философские категории наиболее полно отражают целостные современные научные представления о мироздании, то с определенной уверенностью можно утверждать, что материя и движения организма человека также представляют собой единое и неразрывное целое. Практически это означает, что каждому уровню построения и организации материи организма соответствует вполне определенный уровень построения его движений. На атомно-молекулярном уровне — один уровень движений, на клеточном — другой, на тканевом — третий, органном и организменном — соответственно четвертый и пятый. Каждому уровню соответствует, естественно, и свой уровень взаимодействий, определяющий, в конечном итоге, закономерности проявления двигательной функции. Так называемые сильные (или ядерные) и электромагнитные взаимодействия в основном детерминируют закономерности движения материи организма человека на атомно-молекулярном уровне, а также, пожалуй, на клеточном и тканевом уровнях построения материи. Гравитационные и в какой-то мере слабые взаимодействия определяют законы движения материи на органном и организменном уровнях.

Сильные (ядерные) — взаимодействия частиц материи на атомном уровне.

Электромагнитные — взаимодействия частиц материи на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях.

Гравитационные — взаимодействия частиц вещества на уровне отдельных материальных тел, обладающих определенной массой.

Слабые — взаимодействия частиц вещества и всех тел, обладающих массой, на межпланетном уровне.

Механизмы регуляции двигательной функции, равно как и материя — ее носитель, имеют многоуровневую структуру организации. Произвольное управление механическими движениями целостного организма человека происходит под влиянием в основном гравитационных взаимодействий.

Схематически упрощенно организацию двигательной функции на уровне целостного организма можно представить состоящей из таких блоков:
• блок управления, центральной частью которого является нервная система;
• блок исполнения (эффекторный), включающий двигательный аппарат (скелетно-мышечная система) и железы;
• блоки обслуживающих систем — практически это все другие системы организма, среди которых выделяются эндокринная, сердечно-сосудистая, пищеварительная, дыхательная, выделительная и др. (Лапутин, 1999).

Взаимосвязь этих структурных блоков, взаимообусловленность их строения, расположения и функций в синтетическом единстве порождают специфическую интегративную двигательную функцию человека.

Оптимизация двигательной функции и повышение работоспособности спортсменов, как известно, могут быть обеспечены за счет различных, в том числе биомеханических эргогенных средств. Эти средства уже на протяжении длительного времени использовались и используются в спортивной тренировке и соревновательной деятельности. Проблемы их распространения и внедрения в тренировочный процесс интересуют специалистов на протяжении длительного времени. Первые упоминания об этих средствах встречаются в специальной литературе буквально с тех пор, как начали развиваться биомеханические технологии в исследованиях движений человека.

Первые специальные работы в этой области связаны с именем итальянского врача и математика Джованни Альфонсо Борелли (1608—1679), который разработал первую классификацию движений человека. В своей монографии «О локомоции животных» он выделил три основных способа передвижения человека: а) способ отталкивания от опоры (ходьба, бег, прыжки); б) способ отталкивания от окружающей жидкости или воздушной среды (плавание, летание); способ подтягивания (лазание).

Многое сделал для изучения движений тела человека, в частности их регистрации, французский биомеханик Этьен-Жюль Марей (1830—1904). Он предложил различные средства и способы регистрации движений тела человека, в том числе пневмографию.

Большой вклад в изучение биомеханических систем тела человека внесли работы ученика Марея, одного из основателей современной системы физического воспитания, Жоржа Демени (1850—1917), который разработал и применил хронофотографию.

Определенное значение сыграли также известные работы П.Ф. Лесгафта (1837 — 1903), создавшего своеобразную «азбуку движений», в которой им были описаны основы ходьбы, бега, плавания и других движений.

Изучение биомеханики движений получило новый импульс своего дальнейшего прогресса в связи с научной деятельностью Н.А. Бернштейна (1896—1966), который усовершенствовал методику регистрации масс инерционных и кинематических характеристик тела человека и его движений, разработал основы теретической биомеханики, физиологии построения двигательного действия и теории технической подготовки спортсменов.