Рассматривая биомеханику как науку, изучающую закономерности механического движения живых систем, целесообразно рассмотреть основные понятия о движении вообще и особенности движений человека, в частности.
Движение – одна из форм существования материи и оно так же многообразно, как многообразен мир.
Как известно, Ф. Энгельс различал:
1) простые формы движения материи;
2) сложные, высшие формы движения материи.
Простые формы движения материи включают в себя следующие:
- механическое движение;
- физическое движение;
- химическое движение.
Рассматриваемые формы движения материи проявляются как в живой, так и в неживой природе.
Механическое движение проявляется в перемещении объектов в пространстве и во времени. Физическое движение – изменение физических свойств материи. Например, изменение температуры, электрического сопротивления, объема, плотности, состояния и т.п. Химическое движение обусловлено происходящими в материи химическими реакциями.
К сложным, высшим формам движения материи относятся:
- биологическая;
- социальная.
Биологическая форма движения материи характеризует развитие живых систем в онтогенезе и в филогенезе, в частности, человека и животного мира. Социальная форма движения материи (общественные отношения, мышление) присуща только человеку.
Каждая сложная форма движения материи всегда включает в себя более простые формы. Простейшая форма движения материи – механическая, – существует везде. Чем выше форма, тем менее значима механическая форма движения материи.
Двигательные действия человека, изучаемые биомеханикой, включают в себя механическое движение. Конечный результат движения – цель двигательного действия (переместить снаряд, партнера, переместиться самому и т.п.). Но механическое движение человека включает в себя более высокие формы движения. Поэтому биологическая механика (биомеханика) шире и намного сложнее, чем механика неживых систем.
Чем выше форма движения материи, тем труднее выполнить прогноз ее эволюции. Можно заранее рассчитать траекторию движения спутника, предсказать его поведение на орбите, но задача несоизмеримо усложняется при прогнозе «предсказания событий» в социальной форме движения материи, в сфере общественных отношений.
Классификация механической формы движения материи на естественные и целенаправленные была предложена отечественным ученым В.Г.Кореневым в 1974 г. С позиций биомеханики, предложенная классификация корректна и обоснована. Сущность проявления «естественности» и «целенаправленности» в движениях объекта проявляется в следующем.
Если движущийся объект не вырабатывает управляющих воздействий для достижения цели движения, то такое движение является естественным. Примером естественных движений являются движения планет в солнечной системе, полет спортивных снарядов (копье, диск, молот, ядро) и т.п.
Если со стороны движущегося объекта вырабатываются управляющие силы для изменения траектории движения и достижения цели, то такое движение трактуется как целенаправленное.
Движения человека, как самоуправляемой биомеханической системы, относятся к подклассу целенаправленных движений. Для достижения цели движения человек вырабатывает управляющие воздействия (сила тяги мышц), изменяя и формируя тем самым траекторию движения.
В понятии о целенаправленных движениях присутствует философская категория: цель движения. Цель движения можно сформулировать различным образом:
- в содержательно-смысловой форме;
- в математической форме.
Содержательно-смысловая формулировка цели движения предполагает описание того движения, которое необходимо выполнить и его конечный результат. Например: сделать выпад правой вправо, выполнить прыжок в длину с места толчком двумя, выполнить прыжок вверх толчком левой и т.п.
Иначе говоря, конечный результат двигательного действия содержит в себе цель движения. Цель движения характеризует качество выполнения двигательного задания. Например:
1. Выполнить прыжок в длину с места толчком двумя как можно дальше.
2. Выполнить прыжок вверх с места толчком двумя как можно выше.
3. Пробежать 100 метров как можно быстрее.
4. Проплыть 100 метров за минимально возможное время.
В этих примерах качественная картина движений описывается терминами: дальше, выше, быстрее и т.п. В математической теории оптимизации динамических систем качество исследуемого процесса представлено функционалом, заданным в виде математической конструкции определенного вида. Поэтому, можно сказать, что если цель движения задана в математических терминах, то цель движения есть функционал двигательного действия.
Двигательная задача, в отличие от цели движения, может ставиться для отдельных фаз упражнения и для всего упражнения в целом и указывать или математически описывать те явления, которые должны произойти или не произойти в процессе выполнения двигательного действия. Например, при выполнении большого оборота назад на перекладине формулируется цель движения: в момент прохождения общим центром масс (ОЦМ) тела спортсмена вертикального положения над опорой достичь максимальной линейной скорости ОЦМ. Двигательная задача для рассматриваемого гимнастического упражнения ставится следующим образом:
1. До момента прохождения ОЦМ исполнителя вертикального положения под опорой звенья тела спортсмена должны быть расположены на одной прямой.
2. После прохождения ОЦМ исполнителя вертикального положения под опорой выполнить сгибательные движения в суставах таким образом, чтобы:
- сгибание начиналось с дистальных суставов;
- амплитуда сгибательных движений в плечевых суставах не превышала 300;
- амплитуда сгибательных движений в тазобедренных суставах не превышала 450;
- в вертикальном положении над опорой звенья тела спортсмена должны быть расположены на одной прямой.
Таким образом, двигательная задача, представленная в рассматриваемом примере пунктами 1–2, регламентирует технику большого оборота назад на перекладине и указывает на то, что должно произойти или не произойти в процессе выполнения упражнения. По сути дела здесь накладываются определенные ограничения на кинематику движения.
Содержательно-смысловую формулировку цели движения и двигательной задачи всегда можно формализовать (дать математическое представление), в частности, представив их в виде биомеханических характеристик в математической форме. Например, выразить биомеханические характеристики движения математическими символами:
- длина прыжка – S.
- высота прыжка – H.
- скорость бега – V.
- время бега – T.
Формализовать качество решения двигательной задачи можно с помощью экстремальных параметров биомеханических характеристик: минимум (min), максимум (max) функции. Например, для вышерассмотренных примеров формализованная запись качества (F) решения двигательной задачи имеет вид:
- Максимальная длина прыжка – F = S (max).
- Максимальная высота прыжка – F = H (max).
- Максимальная скорость бега – F = V (max).
- Минимальное время бега – F = T (min).
Возможность формализации цели движения и качества решения двигательной задачи позволяет использовать средства компьютерной техники для построения оптимальной (самой наилучшей) техники соревновательных упражнений в вычислительном эксперименте на ПЭВМ.