Про історію біомеханіки

Біомеханіка є однією з найважливіших дисциплін, з яких починається навчання кожного фітнес-тренера. В сфері фітнесу біомеханіка дуже практична і допомагає правильно оцінювати рухи, підбирати ефективні вправи та запобігати травмам. Знання біомеханіки робить тренера більш професійним і дозволяє досягати кращих результатів у роботі з клієнтами.

По перше, біомеханіка рухів та вправ - це правильна техніка. Знання біомеханіки допомагає "почистити" свою власну техніку, зрозуміти нюанси виконання кроків, вправ та рухів, пояснювати клієнтам, як правильно виконувати вправи.

По друге, профілактика травм– тренер розуміє, як навантаження впливає на суглоби та м’язи, що дозволяє зменшити ризик травм.

По третє, біомеханіка важлива для персоналізація тренувань, бо врахування особливостей будови тіла клієнта - ключові навички для створення індивідуальної програми.

Ну і як результат, підвищення результативності – оптимізація рухів і підбір правильних кутів навантаження для кращого розвитку сили, витривалості та координації.

Але Біомеханіка як наука в сьогоднішньому нашому розумінні з'явилася зовсім недавно і вона продовжує швидко змінюватися.

Історія біомеханіки

Історія розвитку біомеханіки тісно пов’язана з розвитком анатомії, фізіології, фізики та інженерії. Біомеханіка як наука виникла з потреби зрозуміти, як працює живий організм, особливо людське тіло, з точки зору механіки.

Античний період (до 5 ст. н.е.)

Аристотель (384–322 р. до н.е.) – перший науковець, який описав принципи руху тварин та людей у трактаті «Про рух тварин».

Аристотель здійснив перші спроби класифікації рухів. Він розглядав рух у контексті сил і рівноваги, намагався зрозуміти значення реакції опори при ходьбі, вважав за доцільне згинання ноги в коліні у фазу опори, оскільки це дозволяло зменшити вертикальні коливання тулуба.

Клавдій Гален (129–216 н.е.) – давньоримський лікар, який зробив важливий внесок у розвиток біомеханіки, заклавши основи для розуміння функціонування м’язів і суглобів. Клавдій Гален був лікарем римського імператора Марка Аврелія і написав понад 400 трактатів з медицини.

Виклав теорію про "життєві сили", які керують фізіологічними процесами в тілі (в трактаті «Про природні сили» ).

В своєї роботі «Про анатомічні процедури» Гален описав методи розтинів та дослідження м’язів, сухожиль і кісток.

Він вперше пояснив роль мозку та нервів у керуванні рухами м’язів і детально описав будову та функцію органів, зокрема роль суглобів у русі.

Щодо функціонування тіла людини, то висновки Галена базувалися на розтинах тварин, що призвело до деяких помилок.

Епоха Відродження (15–17 ст.)

Леонардо да Вінчі (1452–1519) – перший вчений, який застосував механічний підхід до вивчення людського тіла.

Леонардо да Вінчі вивчав як працюють м’язи, суглоби й кістки через ретельні анатомічні дослідження, які включали, наприклад, розтини трупів в лікарнях та моргах Італії. Це дозволяло йому детально вивчати м’язи, кістки й органи. Він зробив понад 30 розтинів.

Леонардо да Вінчі висловив думку про необхідність використання досягнень механіки для їхнього дослідження.

Його анатомічні рисунки відзначалися неймовірною точністю та глибоким розумінням структури тіла. Він використовував техніку штрихування для створення тривимірного ефекту.

Леонардо да Вінчі розумів важливість точних наук у вивченні тіла людини. Він писав в своїх роботах: "Нехай не читає мене в основах моїх той, хто не математик".

«Наука механіка тому настільки шляхетна і корисна найбільше інших наук, що, як виявляється, всі живі істоти, що мають здатність до руху, діють за її законами». В анатомічних дослідженнях Леонардо да Вінчі узагальнював результати розтинів, розглядав організм як приклад «природної механіки».

Вивчення руху

Леонардо був одним із перших, хто намагався зрозуміти кінематику людського тіла, тобто механіку його рухів. Він вивчав ходьбу, біг та інші рухи людини, як працюють м’язи й суглоби під час різних дій.

Леонардо да Вінчі вперше описав будову і функції кісток, нервів. Він висловив новаторські припущення про антагонізм м'язів.

Порівняльна анатомія

Він порівнював людське тіло з будовою тварин, таких як коні та мавпи, щоб краще зрозуміти функціонування різних систем.

Леонардо да Вінчі проводив експерименти з видаленням різних органів у тварин, використовуючи експериментальний спосіб дослідження в біології.

Інженерний підхід

Леонардо розглядав людське тіло як складний механізм, подібний до машин, що він проектував. Він створював схеми, які пояснювали принципи роботи суглобів і важелів у тілі. Леонардо да Вінчі докладно вивчав, зокрема, як м'язи рухають кістки. Він вважав, що ті самі принципи можна застосувати і до створення рухомих механізмів.

Приблизно в 1495 році Леонардо да Вінчі створив механічного людиноподібного робота Robot di Leonardo або L’Automa Cavaliere (Лицар-автомат) . Це був механічний лицар, здатний рухати руками, сидіти, відкривати та закривати рот, а також трохи нахиляти голову.

Всередині знаходилися механічні системи, які керували рухами. Він був сконструйований за допомогою системи шківів, важелів і шестерень.

Навіщо він був створений? Можливо, був продемонстрований на святі при дворі герцога Людовіко Сфорца в Мілані або це був просто експеримент або інженерна розвага, яка демонструвала механічні можливості людського тіла.

У 1950-х роках креслення Леонардо були вивчені, і сучасні інженери змогли відтворити лицаря-автомата

Галілео Галілей (1564–1642)– зробив значний внесок у біомеханіку людини, застосувавши математичні та фізичні принципи до вивчення руху та будови тіла. Хоча він не був лікарем або анатомом, його відкриття у фізиці допомогли закласти основи для аналізу механіки людського руху.

Закони механіки та їх застосування до руху людини

Галілей сформулював основні закони кінематики, включаючи: закон інерції, який пояснює, як тіло рухається в просторі, якщо на нього не діють зовнішні сили, закон вільного падіння, який обґрунтовує, як різні частини тіла реагують на гравітацію під час стрибків, бігу чи падінь, принцип прискорення – важливий для аналізу швидкості руху кінцівок і центру мас тіла.

Ці закони дозволили пізніше аналізувати рухи людини з математичної точки зору та розраховувати оптимальні траєкторії рухів.

Важелі в тілі людини

Галілей вивчав механіку важелів і показав, що кістки та суглоби працюють як важелі першого, другого та третього роду, чим довший важіль (наприклад, рука або нога), тим більше зусиль потрібно для руху, м’язи діють як тяги, що забезпечують рух, використовуючи силу, подібну до механічних важелів.

Це допомогло пояснити, як людина використовує суглоби та м’язи для руху, що актуально для фізичного виховання, спорту, медицини та ергономіки, і на практиці ми часто використовуємо ці знання в фітнесі.

Вивчення масштабування тіла (закон подібності)

Галілей сформулював закон масштабування: якщо розміри тіла подвоюються, його маса зростає в 8 разів, а площа перетину кісток — лише в 4 рази. Це означає, що великі тварини потребують товстіших кісток для підтримки власної маси. У людей зростання маси також впливає на структуру скелета, що пояснює, чому вищі люди часто мають ширші кістки.

Становлення біомеханіки як науки (17–19 ст.)

Джованні Альфонсо Бореллі (1608–1679) – вважається «батьком біомеханіки». Він пояснив, як діють важелі в людському тілі, і досліджував механіку ходьби, дихання та руху очей.

Людське тіло як механічна система

Бореллі довів, що кістки та м’язи працюють за принципом важелів, а рух тіла можна описати через механіку, показав, як м’язи створюють силу, що приводить у рух кінцівки та визначив, що суглоби діють як обертальні точки важелів. Ці відкриття стали основою сучасної анатомії руху, спортивної медицини та реабілітації

Аналіз ходьби та бігу

Бореллі вперше кількісно дослідив рух людини, аналізуючи, як центр мас змінює положення під час ходьби та бігу, а також описав баланс між гравітацією та м’язовими силами, необхідний для стійкості тіла. Його дослідження використовуються у створенні протезів, ортопедичних пристроїв і в спортивній біомеханіці.

Вивчення роботи серця, легень і м’язів

Джованні Альфонсо Бореллі зроби великтй внесок в фізіологію кровообігу та дихання, пояснюючи, що серцевий м’яз працює як насос, перекачуючи кров за законами гідравліки,

Він дослідив механіку дихання та роботу міжреберних м’язів, вивчав силу, яку виробляють м’язи під час руху. Ще Бореллі розглянув роботу веретеноподібних та перистих м'язів.

«Про рух тварин» (De Motu Animalium), 1680

У своїй книзі «Про рух тварин» Бореллі вперше систематично описав механіку людського руху. Він розглянув фізику польоту птахів, руху риб і людей, використав математичні розрахунки для аналізу роботи м’язів. Цей трактат заклав фундамент для подальших досліджень біомеханіки.

Ісаак Ньютон (1643–1727) – один із найвидатніших учених в історії, заклав фундамент для сучасної біомеханіки, сформулювавши три закони механіки та закон всесвітнього тяжіння. Його роботи допомогли пояснити принципи руху людського тіла з точки зору фізики.

Закони механіки та їх застосування до руху людини

Ньютон сформулював три основні закони динаміки, які застосовуються до аналізу рухів людини:

Перший закон (закон інерції): тіло людини залишається в стані спокою або рівномірного руху, поки на нього не діє зовнішня сила. Як приклад, це пояснює, як м’язи повинні докладати зусиль для початку або зупинки руху.

Другий закон (закон прискорення): сила, що діє на тіло, дорівнює добутку маси на прискорення (F = ma). Це важливо, наприклад, для аналізу м’язової сили, необхідної для руху кінцівок.

Третій закон (закон дії і протидії): кожна дія викликає рівну і протилежну реакцію. Це, наприклад, пояснює, як ноги та тіло людини взаємодіють із землею під час ходьби або бігу, під час виконання фізичних вправ.

Закон всесвітнього тяжіння та його вплив на біомеханіку

Ньютон довів, що всі об'єкти притягуються один до одного із силою, пропорційною їх масі. Це допомогло пояснити, як гравітація впливає на рух людини, рівновагу та стабільність. Використання другого закону Ньютона дозволило визначати сили, які діють у суглобах під час руху. Вчені почали розраховувати моменти сил у м’язах та кістках, що важливо для розуміння роботи опорно-рухового апарату.

Основи механіки рідин і їх застосування у фізіології

Ньютон вивчав механіку рідин, що пізніше допомогло пояснити рух крові в судинах. Його ідеї використовувалися для аналізу серцево-судинної системи та дихання.

Брати Едуард Вебер (1806–1871) та Вільгельм Вебер (1804–1891) – німецькі фізіологи та фізики, які зробили важливий внесок у вивчення біомеханіки руху людини.

Вони одними з перших застосували наукові методи для аналізу ходьби та інших рухів, що стало основою для подальших досліджень у біомеханіці.

Дослідження механіки ходьби людини

Брати Вебери провели перше систематичне дослідження ходьби, використовуючи математичні розрахунки та експериментальні методи, використовували гравіметричний аналіз для визначення сили, необхідної для руху суглобів.

Вони визначили, що людська хода — це маятниковий рух, у якому ноги гойдаються подібно до маятника, економлячи енергію. Вони виявили зв'язок між механікою ходи та енергетичними витратами людини.

Виявили, що швидкість і довжина кроку залежать від довжини ноги та маси тіла.

Аналіз центрів мас і сил під час руху

Вебери розрахували, як центр мас людини переміщується під час ходьби. Дослідили, як різні групи м’язів працюють для підтримки рівноваги та ефективного пересування. Описали механіку рівноваги при стоянні та русі, враховуючи розподіл ваги тіла.

Етьєн-Жюль Маре (1830–1904) – французький фізіолог, вчений і винахідник, який зробив величезний внесок у біомеханіку, особливо у вивчення руху людини та тварин. Він розробив нові методи реєстрації рухів та став піонером у кінематографічному аналізі біомеханіки. Він став піонером кінематичного аналізу руху.

Хронофотографія – новий спосіб аналізу руху

Маре створив хронофотографічну камеру – пристрій, що міг робити серію швидких послідовних фотографій руху. Завдяки цьому він отримав детальні серії зображень, які показували, як рухаються кінцівки під час ходьби, бігу, стрибків, а також розділив безперервний рух на фази, що стало основою для подальших досліджень кінематики.

Метод хронофотографії став основою для сучасного біомеханічного відеоаналізу у спорті, медицині та кінематографі.

Дослідження ходьби та бігу людини

Маре вивчав динаміку руху ніг, рук і тулуба під час ходьби та бігу, визначив, як змінюється розподіл ваги та робота м’язів на різних фазах руху, описав механізми рівноваги та роботи суглобів, що стало основою для аналізу патологій руху.

Аналіз руху тварин

Маре проводив дослідження руху коней, птахів, котів, визначаючи особливості їхньої біомеханіки. Він показав, як кінцівки тварин працюють у різних фазах руху, що стало корисним у ветеринарії та кінському спорті.

Вплив на розвиток кіно та наукової візуалізації

Його дослідження вплинули на розвиток кінематографії – він фактично передбачив появу кінокамер. Він використовував послідовні зображення для точного аналізу динаміки руху, що згодом перейняли у спортивній біомеханіці.

Його роботи є основою для сучасного motion capture – технології захоплення руху, що застосовується у спорті, медицині, відеоіграх і кіно.

Крістіан Вільгельм Брауне (1831-1892) та Отто Фішер (1861 - 1917) - німецькі вчені кінця XIX століття.

Вони зробили перший тривимірний математичний аналіз людської ходи у 1891 році та опублікували їз у книзі Der Gang des Menschen (1895-1904). Їх дослідження біомеханіки ходи охоплювало два проходи вільної ходьби та один транзит ходьби з вантажем, а методологія аналізу ходи по суті залишилася незмінною донині.

Вони на ретельному дослідженнях кількох заморожених трупів визначили відносну вагу окремих частин тіла людини (голови, тулуба, плеча, передпліччя тощо), а також положення центрів ваги ланок тіла.

Це дозволило розпочати експериментальне вивчення динаміки рухових процесів.

Сучасний етап (20–21 ст.)

Ніколай Бернштейн (1896–1966) – засновник сучасної біомеханіки руху, радянський нейрофізіолог і біомеханік, який першим запропонував розглядати рух як складну систему.

Він розробив концепцію "біомеханічних рівнів рухового контролю", пояснюючи, як нервова система контролює м’язи. Ввів поняття редундантності ступенів свободи, показавши, що рухи можуть бути виконані різними способами. Бернштейн використовував кінематичні методи для аналізу рухів спортсменів та робітників, що допомогло покращити ергономіку та тренувальні методики.

Геофрі Вальдо Гатчінсон (1903–1987) – англійський зоолог, який застосував механіку Ньютона до аналізу рухів тварин.

Він вивчав, як тварини адаптують свою ходу та швидкість для економії енергії. Розробив математичні моделі бігу, стрибків і польотів, які використовуються у спортивній біомеханіці та робототехніці.

Юліус Вольф (1836–1902) – німецький лікар, хірург, спеціаліст з ортопедії та остеології.

Хоча він працював ще в кінці XIX століття, його "Закон Вольфа" отримав підтвердження у ХХ столітті. Він довів, що кістки змінюють свою форму і щільність залежно від механічного навантаження. Його принцип адаптації кісткової тканини став основою для ортопедії, протезування та спортивної біомеханіки.

Вернер Фішерман (XX ст.) – німецький дослідник, який досліджував кінематику та динаміку рухів спортсменів.

Розробив методи покращення спортивної техніки через аналіз механіки руху. Вивчав ефективність різних стилів бігу, плавання та метання.

Сьогодні біомеханіка є міждисциплінарною наукою, яка об’єднує біологію, фізику, інженерію та медицину, і продовжує розвиватися завдяки новітнім технологіям.

Page updated

Google Sites

Report abuse