В дальнейших рассуждениях, после определения числа степеней свободы следует, что чем больше суставных соединений в рычажной кинематической цепи, тем больше количество степеней свободы у конечного рычага. Такое утверждение сложно комментировать по одной простой причине – не известно о чём идёт речь, потому как понятие о количестве степеней свободы куда-то исчезло при подсчёте возможных движений, например, «кончика пальца относительно грудной клетки – 16 степеней».
Интересный вывод по отношению к кончику пальца. Если вернуться к определению числа степеней свободы – число необходимых и достаточных по количеству независимых друг от друга координат, которые должны быть назначены для того, чтобы поза органа оказалась вполне определённой. Какое количество независимых координат нужно, чтобы определить положение кончика пальца относительно грудной клетки?
Если рассматривать кончик пальца как точечный объект то получается, что у него не может быть числа степеней свободы более трёх, как и у любого другого точечного объекта. И вовсе не важно относительно какого ребра это количество определяется, хоть от 5-го, хоть от 8-го и даже не важно от чьей грудной клетки. Если рассматривать кончик пальца как объёмное тело, то количество степеней свободы ограничиться шестью.
Так откуда появилось «лишнее количество степеней свободы»? Ответить можно сразу и без заминки – из-за подмены понятия. Попробуем разобраться о чём шла речь, когда подсчитывались движения кончика пальца (точки). Итак у нас есть 3 независимых направления для перемещения, и на каждом из них кончик пальца может разнообразно двигаться и конечно же перемещаться из одного направления на другие. Но в данном случае речь уже идёт не о количестве степеней свободы для точки, а о возможных перемещениях кончика пальца (точки) в каком-то одном или в двух или трёх направлениях одновременно. И действительно, чем больше подвижных звеньев составляют кинематическую цепь и чем больше у каждого из них число степеней свободы, тем разнообразнее двигательные возможности конечного элемента в этой самой кинематической цепи. Но количество степеней свободы конечного звена (рычага) больше 6 штук не будет, так же как и у любого другого объекта.
В приведенном фрагменте текста из книги «Физиология движений и активность» понятие о числе независимых координат плавно слилось с понятием о разнообразных перемещениях на этом количестве (числе). Получилось так, что количество независимых направлений складывалось с двигательными возможностями по перемещению, на них. Но ведь количество степеней свободы выражается числами (размерность «штуки»), а двигательные возможности на них или между ними выражаются размерностями длины (мм, см и т. д.). Если у кого-то ещё остались сомнения в том, что число степеней свободы не может быть больше 6-ти, то назовите хотя бы 10 независимых перемещений для кончика пальца или 7 независимых координат, которые определят его положение.
Можно было бы не останавливаться так подробно на приведенной выше цитате, если бы понятия, которыми мы пользуемся не влияли на наши действия. Далее Н. А. на стр. 27 делает вывод:
«В этом преодолении избыточных степеней свободы движущегося органа, т. е. в превращении последнего в управляемую систему, как раз и заключается основная задача координации движений.»
Т.е. предлагается организация движений, при которой ограничиваются движения рычагов.
Рассмотрим, например, что кто-то из спортсменов ограничит движения бедра в каком-то направлении. Но хорошо если это сделает биатлонист во время стрельбы, а если во время бега? Да собственно это утверждение легко проверить на себе во время ходьбы. Попробуйте лишить бедро возможности перемещаться в поперечном направлении относительно выбранного для движения. Только не очень усердствуйте, так как это может печально завершиться. Как же быть с возможностями рычагов человека занимать определённое положение (закрепляться) относительно друг друга? Это тоже управление рычагами, но в статике. Другими словами суть организации движений в этом случае заключается в придании рычагу статического положения относительно соседнего (сопрягаемого) рычага или определённой статической формы системе рычагов. Но это процесс характеризуется отсутствием какого-либо количества степеней свободы и каких-либо двигательных возможностей. И в этом случае действительно достаточно назначить определённое число координат, которые определят положение конкретной точки или конкретного рычага или системы рычагов.
Как же всё-таки считать количество степеней свободы одного рычага или кинематической цепи. Запишем понятие о количестве степеней свободы следующим образом. Количество (число) степеней свободы объекта это сумма одновременных перемещений объекта, в определенной системе координат в независимых друг от друга направлениях.
Так как же на основе этого понятия определить суть организации движений? Во-первых, отметим что данное понятие непосредственно связано с движением объекта, а во-вторых, поможет биомеханика поскольку в ней есть понятия, с помощью которых удастся получить ответ.
Обратимся к нужным понятиям.
• Движение это изменение положения одного объекта относительно другого.
• Система координат – система отсчёта для определения положения и параметров движения рычага или системы рычагов.
• Независимая координата – это такая координата, изменение которой не влечет за собой изменение других координат.
• Независимое направление в координатных системах – это какое-то одно направление, при движении объекта по которому величины координат на других направлениях остаются неизменными.
• Степень свободы или двигательные возможности объекта – величина возможных перемещений объекта на одном или нескольких независимых направлениях.
Вооружившись знаниями определим что понятия о количестве степеней свободы и о степени свободы отличаются друг от друга. А во-вторых, двигательная задача решается за счёт перемещения рычага или системы рычагов в соответствии с определёнными для них природой количествами степеней свободы и двигательными возможностями на каждой из них. И отметим, что управляемое движение рычага заключается в перемещении рычага по намеченной траектории и запланированным способом. При этом действия на всех независимых направлениях активно помогают в управлении рычагами и проведении их по нужной траектории.
Из вышесказанного вытекает, что организация движений рычага заключается в решении двигательной задачи за счёт нужного перемещения рычага в соответствии с его двигательными возможностями. Это достигается созданием определённых двигательных или ударных конструкций из собственных рычагов. О таких конструкциях заранее известно, для чего они собираются, какие в них исполнительные рычаги. А также заранее известны схемы движения каждого из рычагов, их качественный и количественный вклады в общее дело. Появляется возможность планировать результат двигательного действия ещё до начала самого действия.
Из определения сути организации движений вытекает то, что нам уже известно: прежде чем начать движение, необходимо ясно представлять, «для чего», «что», «куда» и «как» должно двигаться. В этой книге как раз и будем устанавливать, для какой двигательной задачи какие рычаги подходят и что от них требовать. Более полно поможет прояснить эти вопросы техника теннисистов.
Если вновь вернуться к вопросу о значении биомеханики в организации двигательной активности, то можно отметить, что отсутствие необходимых знаний не позволяет однозначно отвечать на вопросы «что?», «куда?» и «как?». В связи с этим ответ на вопрос «для чего?», действительно, достигается интуитивно. Только трудиться до проявления нужной интуиции придётся много, очень много, а вот результат будет мало, очень мало предсказуем!
Глава 2. Знакомство с самим собой
В биомеханике изображение опорно-двигательного аппарата отличается от изображения анатомического. Анатомическое, с соответствующими названиями элементов, изображение скелета человека спереди и сзади показано на рис. 1. и 2.
Обозначения на рис. 1:
Названия рычагов и суставов опорно-двигательного аппарата человека приведены непосредственно на рисунке.
Обозначения на рис. 2:
Названия рычагов опорно-двигательного аппарата человека приведены непосредственно на рисунке. На нём также обозначены отделы позвоночника так как это принято в анатомии.
Пояснения:
• Весь позвоночник (позвоночный столб) состоит из нескольких отделов.
• В шейном отделе 7 позвонков, в грудном – 12, в поясничном – 5, в крестцовом – 5, в копчиковом – 4–5 позвонков.
Анатомии удалось скрупулезно и точно описать конструкцию опорно-двигательного аппарата и возможные движения каждого из рычагов.
Биомеханике предстоит выяснить как осознанно и в соответствии с законами природы организовывать движения собственных рычагов для решения каких-либо спортивных или жизненных задач. На основании анатомического изображения это сделать сложно. В нём слишком много общей информации, в виде элементов различной конфигурации и протяженности, в виде суставных соединений с конструктивными особенностями.
Для освоения кинематических основ движения возможно использование части информации из изображения опорно-двигательного аппарата человека. Количество ее должно быть минимальным, но достаточным для первоначальной организации осознанных движений и контроля над их выполнением.
Попробуем найти конкретные ориентиры для каждого из элементов опорно-двигательного аппарата, с помощью которых можно судить о движении всего элемента. Часть ориентиров установим, если выделим из анатомического изображения местоположение суставов и соединим их отрезками. Эти отрезки представляют соответствующие элементы опорно-двигательного аппарата человека, которые называются кинематическими рычагами, а кратко – рычагами.
Для лучшего понимания движений собственных рычагов необходимы вспомогательные ориентиры, в виде комплиментарных (составленных по принципу дополнения) рычагов и виртуальных (представляемых) линий.
Комплиментарный рычаг объединяет группу рычагов по функциональному подобию, представляет их под общим названием. Несколько рычагов могут считаться единым (комплиментарным) если для них выполняется закон аддитивности масс. Этот закон подчёркивает, что несколько отдельных масс составляют единую массу, если они неподвижны относительно друг друга. Комплиментарный рычаг отображает суммарное действие рычагов, которые его составляют и действует в определённое время и в определённом движении. Комплиментарные рычаги могут изменятся по форме, при изменении взаимного расположения составляющих их частей.
Виртуальная линия располагается в назначенном ей месте и жестко связана с конкретным элементом структурной схемы человека. Каждая такая линия служит ориентиром для определения положения конкретных элементов опорно-двигательного аппарата и контроля над их движениями. С помощью виртуальных линий, возможно также выделение какого-то объема, схематично представляющего реальный объем.
После того, как установим и обозначим основные и дополнительные ориентиры, получим схематичное изображение опорно-двигательного аппарата человека. Полное название такого изображения кинематическая структурная схема человека, а краткое – структурная схема человека (ССЧ). С помощью этого изображения проще и удобнее рассматривать и анализировать движения рычагов. Итак, ССЧ (структурная схема человека) – это схематичное изображение опорно-двигательного аппарата человека в виде отрезков линий между суставами и дополнительных ориентиров в виде комплиментарных рычагов и виртуальных линий (рис. 3).
Обозначения на рис. 3:
Точки обозначают: 0 – место соединения пятого поясничного позвонка с крестцом; 1 – первый грудной позвонок; 2 – первый шейный позвонок; 3 – верхушку грудины.
Объемы тела выделены серым цветом и обозначают: 0-1-3, л-0-т – объём плечевого пояса и объём таза.
Виртуальные линии: к-п – коромысло плеч; 1–3 – малый рычаг груди; л-т – линия таза; о-к – ось кулака; окружности в местах соединения рычагов – обозначают их суставные соединения.
Пояснения:
• Комплиментарные рычаги ССЧ объединяют: 0–1 – большой рычаг груди (БРГ) – все грудные и все поясничные позвонки; 1–2 – рычаг шеи – все шейные позвонки; рр. рёбер – все рёбра (вся грудная клетка); рычаг предплечья – рычаги лучевой и плечевой кости; рычаг кисти – все косточки кисти; рычаг голени – рычаги большеберцовой и малоберцовой кости; рычаг стопы – все косточки стопы.
• Виртуальные линии: к-п – коромысло плеч это отрезок линии, проходящий через первый грудной позвонок и неподвижный относительно него; 1–3 – малый рычаг груди (МРГ) это отрезок линии, который соединяет 1-й грудной позвонок и вершину грудины; о-к – ось кулака, линия со стрелочкой, проведенная поперёк ладони.
• Объёмы тела выделены серым цветом. Грудной и брюшной объединяются названием объём плечевого пояса. В области 5-го поясничного позвонка он соединяется с объёмом таза.
• Все рычаги и элементы ССЧ между тазобедренными и плечевыми суставами объединяются названием туловище.
• Части тела от точки 0 до точки 1 вместе с рычагами ключицы и лопатки объединены названием плечевой пояс.
• Рычаги плечо, предплечье и кисть объединены названием рычаг руки или рычаг верхней конечности.
• Рычаги бедро, голень и стопа объединены названием рычаг ноги или рычаг нижней конечности. Таз и нижние конечности объединяются названием тазобедренный комплекс (ТБК).
Предназначение комплиментарных рычагов и виртуальных линий.
Название большой рычаг груди (БРГ) следует из того, что при его движении перемещается вся грудная клетка относительно таза.
Малый рычаг груди (МРГ) служит для контроля за движением грудной клетки вверх или вниз относительно позвоночника. Этот ориентир очень помогает также при освоении дыхательного процесса.
Линия под названием коромысло плеч, когда позвонки позвоночника в среднем положении, параллельна линии таза. Её величина принимается равной расстоянию между плечевыми суставами. С помощью линии «к-п» легче контролировать движения плечевого пояса в целом и позвоночника в частности.
Например, проведём анализ движения туловища спортсмена (рис. 4). Перед ударом оно расположено правым боком в нашу сторону (вариант 1). При движении теннисиста для удара по мячу коромысло плеч разворачивается (варианты 2, 3).
После завершения удара по мячу туловище спортсмена располагается почти фронтально к нам (вариант 4). Таким образом по движению коромысла плеч возможно представить движение таза (линии таза).
На рисунке 5 показаны положения туловища теннисиста до, в момент и после удара по мячу (варианты 1, 2, 3). С помощью такого ориентира как коромысло плеч хорошо видно что позвоночник теннисиста относительно линии таза наклонён вправо и вместе с ним плечевой пояс также наклонился вправо.
Следующая виртуальная линия ось кулака (о-к) – это линия со стрелочкой, проведенная на ладони от мизинца в сторону большого пальца поперёк продольной оси предплечья. Эта ось показывает положение кисти относительно продольной оси предплечья и помогает контролировать такие движения как супинация или пронация предплечья (кисти).
Виртуальная линия «ось кулака» принимает реальные очертания для теннисистов, если продольная ось ракетки расположена вдоль неё. Появляются видимые ориентиры для контроля над положением ракетки относительно собственного тела, мяча или корта.