§ 20. Свойства биомеханической системы

Биомеханическая система характеризуется процессами двигатель­ной деятельности, ее энергообеспечения и управления двигательными действиями. Свойства биомеханической системы позволяют регули­ровать подвод и расход энергии и управлять движениями в переменных условиях при смене двигательных задач.

20.1. Энергетическое обеспечение движений

Механическая энергия биомеханической системы расходуется, с одной стороны, эффективно (на выполнение заданных движений), а с другой — непроизводительно (рассеивание энергии). Она имеет два источника: подводится в систему извне (работа внешних сил) и изнутри (превращение химической энергии в механическую).

При движениях в биомеханической системе происходят деформации: а) поз- ная — перемена позы как взаимного расположения звеньев под действием внутренних и внешних сил; б) мышечная — изме­нения длины и поперечника мышц при их сокращении и растягивании, напряжении и расслаблении (изменения сократительных и упругих элементов при возбуждении и нагрузках); в) внутренняя — сме­щение мягких и жидких тканей при ускорениях, что вызывает появление внутренних сил инерции и трения.

Позная деформация и есть, собственно говоря, те движения, которые необходимы для решения двигательной задачи. На работу по перемещению звеньев тела энергия затрачивается эффективно.

Вследствие затраты работы механических сил на деформации про­исходит рассеивание (диссипация) энергии: расходование ее на не­производительную работу против сил трения, упругих, вязких и других сил. При остановке движения напряжением мышц с их последующим расслаблением механическая энергия движения превращается в другие виды энергии без работы внешних сил.

Биомеханические системы получают механическую энергию бла­годаря приложению внешних сил, а также в результате превращения в мышцах внутренней химической энергии в механическую. Последний источник энергии не обусловлен прямо внешними механическими условиями. И расход, и подвод энергии в биомеханических системах практически возможны без механического воздействия среды. Следо­вательно, биомеханические системы не изолированные (не замкнутые) системы, в которых сохраняется общее количество механической энергии; они являются открытыми системами, которые обмениваются энергией с окружающей средой.

20.2. Приспособительная активность

Приспособительная активность в переменных условиях обуслов­ливает эффективность движений благодаря соответствию нервных импульсов из центральной нервной системы внешнему окружению, начальным условиям движений (тяге мышц, положению и скорости звена), состоянию организма и двигательной задаче.

На биомеханическую систему может воздействовать множество окружающих тел (снаряды, отягощения, партнеры, противники), опора и среда (воздушная, водная). Все эти воздействия (внешние силы) обычно не остаются постоянными, они переменны по своей величине, направлению и месту приложения.

Сами силы мышечных тяг как внутренние активные силы увели­чиваются и уменьшаются, изменяются их плечи (плечи сил), вращаю­щие моменты. Поэтому эффект мышечных тяг в суставах не остается постоянным; совокупность мышечных тяг крайне изменчива. В этих изменениях кроме механических факторов отражается управление движениями со стороны нервной системы.

Пассивные внутренние сопротивления также изменчивы. Это относится к силам упругим, вязким, инерционным, трения, реакциям опоры и др. Особенно велики и переменны по величине и направлению инерционные реактивные силы (центробежные при вращательном движении, инерционное сопротивление и напор звеньев при их разгоне и торможении).

Таким образом, переменные мышечные силы действуют в переменных условиях внешнего воздействия и внутренних сопротивлений, возникающих в самой биомеханической системе.

В абсолютно твердом теле ускорение всего тела, всех его частиц возникает в момент приложения силы. В упругом же теле механический эффект передается всем его частицам лишь с течением времени, т. е. происходит запаздывание эффекта. Скорость деформации обусловлена упругостью, расположением звеньев тела в суставах, приложенными силами и другими причинами.

Все факторы, вызывающие запаздывание механического эффекта в ответ на воздействия (механические и физиологические) непостоянны, они могут изменяться в широких пределах и в кратчайшее время. Поэтому величины общего запаздывания (сумма времени запаздываний разного происхождения) относятся к числу тех, которые нельзя предусмотреть точно.

Запаздывание механического эффекта не исключает того что благодаря сигнальному значению раздражителей организм заранее подготавливается к будущему воздействию, опережает его.

Вполне определенный эффект движения возможен лишь в том случае, если импульсы из центральной нервной системы будут соответствовать начальным условиям движения — тяге мышц, приложенным силам, положению и скорости звена. Одинаковые нервные импульсы из центральной нервной системы при прочих равных условиях вызывают одинаковые напряжения мышц, а одинаковые напряжения мышц обусловливают одинаковые движения. В принципе это верно, но так как никогда не бывает равных условий, то и однозначной связи между импульсом и движением нет.

Сила тяги мышцы зависит не только от ее возбуждения (результата импульса), но в числе других причин и от ее длины (насколько растянута, как быстро и как давно). Одинаковые импульсы вызывают в мышце при различном растягивании различные силы тяги. Движения звена зависят от многих мышц и, кроме того, от всех других сил, приложенных к звену. Поэтому между силой тяги мышцы и движением звена также нет однозначной связи.

Наконец, при различных начальных положениях и скорости звена даже одно и то же изменение скорости под действием сил (ускорение) обусловит различия в движениях — либо ускорит их, либо замедлит, по-разному изменит их направление.

Таким образом, для соответствия движения двигательной задаче необходимо управлять им с учетом всех условий (внешних и внутренних), что возможно благодаря приспособительной активности нервной системы. Связи между нервным импульсом, силой тяги мышцы и движением звена неоднозначны и зависят от множества факторов (Н. А. Бернштейн).