Биомеханика-кинематика на човешките движения
Механиката се занимава с разглеждането на най-простата форма на движение на материята - механичната. Такова движение се състои в промяна на относителното положение на телата или техните части в пространството във времето. При анализа е необходимо да се изхожда от редица основни понятия. Нека ги разгледаме отделно.
Материална точка е тяло, чиито размери и форма са незначителни в разглежданата задача. Например, когато изучавате скоростта на маратонец, няма нужда да разглеждате отделно частите на тялото на спортиста, тъй като размерът на спортиста и изминатото от него разстояние се различават с четири порядъка.
Система от материални точки или тела (механична система) е мислено избран набор от материални точки или тела, които в общия случай взаимодействат както помежду си, така и с тела, които не са включени в тази система. При определени условия биомеханиката разглежда тялото на спортиста именно като система от материални тела.
Класическата механика, т.е. механиката, която се занимава с тела, движещи се с ниска скорост, за разлика от релативистичната или квантовата механика, която разглежда движението на телата със скорости, близки до светлината, или движението на елементарни частици, се състои от три основни раздела: статика, кинематика и динамика.
В статиката се изучават законите за събиране на силите и условията за равновесие на твърди, течни и газообразни тела. В кинематиката механичното движение на телата се изучава без връзка с обуславящото го взаимодействие между телата. В динамиката се разглежда влиянието на взаимодействието между телата върху тяхното механично движение.
Съществена характеристика на движението е преместването на точка. В зависимост от размерността на пространството то може да бъде едно-, дву- или триизмерно (илиобемен). Траекторията е линия, описана в пространството от движеща се точка. Тази линия се определя от поведението на векторната величина - радиус вектора - от някаква референтна точка.
Позицията на движещата се точка и известно време t=t0 се нарича нейна начална позиция. Дължината на пътя на точката се определя от разстоянието между началната позиция и нейната позиция в даден момент от време t и е скаларна функция s=s(t).
Движението на материална точка се характеризира с нейната скорост. В случай на равномерно движение (т.е. когато една точка изминава равен път за равни интервали от време), скоростта се определя от дължината на пътя, изминат за цялото време на движение.
В общия случай, когато движението е неравномерно и променя посоката си, скоростта се определя като векторна стойностv, равна на първата производна на радиус вектораrна движещата се точка:
Скоростта е насочена тангенциално към траекторията по посока на движението на точката и е числено равна на първата производна на дължината на пътя по време:
Ако една точка се движи в триизмерно пространство, описано от декартова координатна система, тогава е необходимо да се разгледат отделно проекциите на вектора на скоростта върху всяка от осите (x, y, z). В такъв случай
Скоростта на промяна на скоростта при неравномерно движение се характеризира с ускорениеa, което се определя по формулата
Векторът на ускорението преминава през главната нормала и допирателна към траекторията и е насочен към вдлъбнатината на траекторията. За триизмерното движение, както и при скоростта, е необходимо да се работи с всяка от координатите.
Движението на точка се нарича ускорено, ако числовата стойност на нейната скорост нараства с времето и ускорението има положителна стойност. Движението на точката се наричасе забавя, ако числената стойност на скоростта му намалява с времето и ускорението има отрицателна стойност.
Ако по време на движението на тялото взаимното разположение на материалните точки, които го изграждат, не се променя, то не се деформира (не променя формата и обема) и се нарича абсолютно твърдо тяло. Такова тяло се характеризира със следните видове движение:
транслационен, когато всички точки имат еднакви траектории на движение;
ротационен, когато се извършва движение около оста на въртене;
комплекс, когато движението се състои от две или повече прости движения; например, тялото може да извърши въртеливо движение, а оста на въртене може междувременно да се движи напред.
За постъпателното движение на абсолютно твърдо тяло са валидни законите, дадени по-горе. Ротационното движение се разделя на линейни и ъглови компоненти.
Ъгловата скорост на въртене на твърдо тяло е векторътw, числено равен на първата производна на ъгъла на въртене по отношение на времето,
Посоката на вектораwсъвпада с посоката на транслационно движение на дръжката на гимлет. Линейната скоростvна произволна точка на въртящо се тяло се определя от формулата на Ойлерv=[wr]или v = wR в скаларна форма, където R е разстоянието от оста на въртене до точката.
По отношение на спортната биомеханика законите на кинематиката действат в пълна степен. В този случай, като правило, ние сме изправени пред сложно движение поради факта, че тялото на спортиста е сложен механизъм. Когато се разглежда кинематиката, има както сложно движение в ставите при изпълнение на упражнение, така и променливо движение при бягане, когато спортистът се разглежда като материална точка.
нагоре