Тема 3. Основные принципы бионического моделирования

В. А. Штофф пишет, что слово «модель» произошло от латинского слова «modulus», что означает: мера, образ, способ и т. п. Его первоначальное значение было связано со строительным искусством.

Обычно понятие модели употреблялось для обозначения образца, прообраза или вещи, сходной с другой вещью. Сейчас модель употребляется в качестве научного понятия в математических, технических, естественных и социальных науках, в искусстве, архитектуре, бионике, кибернетике и т. п. (схема 1).

Процесс моделирования связан со спецификой научного мышления, не отрицающего объективных законов существования мира. В живой природе имеет место самомоделирование живых видов, являющееся в большей мере выражением законов живой природы, но оно не абсолютно, учитывая все прогрессирующее вмешательство человека в жизнь живой природы.

Объективно процесс моделирования возникает и используется в трех направлениях мыслительной и практической деятельности человека.

Первое направление использования моделирования – выражение одной теории через другую, которая обладает структурным подобием (изоморфностью) по отношению к первой, что, например, характерно для абстрактно – математических методов моделирования.

Теория бионического моделирования также изоморфна по отношению к общей теории моделирования, поскольку она интерпретирует структурную схему общей теории моделирования и пользуется ее основными понятиями. Ей мы будем следовать и в на­шем анализе, вскрывая, однако, специфику бионического моделирования и конкретизируя его в профессиональном аспекте.

Весь процесс синтеза (гармоничного соединения законов формирования дизайна и живой природы), осмысливаемой теорети­чески, также есть процесс изоморфного моделирования – сопоставления и нахождения «точек соприкосно­вения» между биологической и промышленным дизайном – бионичес­кой теориями, отражающими объективные процессы, происходящие в живой природе и в быту человека. Изоморфна теория бионики и по отно­шению к общей теории бионики: первая моделирует общие законы второй.

Второе направление использования моделирования – отражение в мысленной или физической форме объективной реальности. В этом значении модели применя­ются в биодизайне, например на стадии воспроизведения биологических объектов, что является лишь первым этапом биодизайна моделирования и называется биологическим моделиро­ванием.

Еще в древности развитие науки и философии сопровождалось созданием наглядных картин, образов действительности, воспроизводящих явления в космосе или микромире (модель Птолемея, показывающая вращение «мира» вокруг неподвижной Земли; представления Демокрита, Эпикура об атомах, их круглой или крючкообразной форме и т. д.). Такие модели от­личаются от математической формализации явлений тем, что они стремятся раскрыть действительность в ее же готовых формах, хотя такие модели не лишены абстрактной формализации и не свободны от субъективности мышления.

Третье направление использования моделирования предполагает изображение одной области явления с помощью другой, более изученной, привычной, легче понимаемой. Например, физики ХУШ в. пытались изоб­разить оптические и электрические явления посредством механических, или сравнивали электрический ток с течением жидкости по трубам, строение атома со строе­нием солнечной системы и т. п. Такое направление мо­делирования сливается с понятием о физической ана­логии. Поэтому подобные модели часто называют моделями – аналогами (или аналоговыми моделями), независимо от того, воображаемые они или реальные.

Указанные направления моделирования и их смысло­вые значения можно представить в виде двух групп моделей: моделей научного представления, обоз­начающих конкретный образ изучаемого объекта или объектов (атом, молекула, хромосома), в которых отображаются реальные или предполагаемые свойства, строение и другие их особенности, и аналоговых моделей.

Этих двух групп моделей для решения научных и практических задач бионики явно недостаточно. Задача бионики синтезировать два явления – живую природу и технику. Поэтому появляется необходимость включения в обиход третьей группы – синтетических моделей (СМ).

Если рассматривать применение указанных трех групп моделей (M1, M2 и СМ) в архитектурной бионике на фоне проводимых научных исследований (которые нельзя отождествлять с процессом моделирования), то получится следующая картина .

Схема 1, Структура моделирования

Обращение к живой при­ роде происходит на основе знаний дизайна проблематики и сводится к изучению общих закономерностей развития живой природы, ее форм и технических средств с целью отбора полезных явлений для дизайна. Сам процесс отбора неизбежно сопровождается умозрительными, а в необходимых случаях и другими видами предварительного моделирования (математического и т. д.) – этап «бионического» моделирования.

Выявленные закономерности или отобранные средст­ва и формы живой природы подвергаются дополнитель­ному, более точному анализу и моделированию, напри­мер форм живой природы с целью проведения экспери­ментов. Здесь же могут быть использованы модели научного представления (Л/L), а также аналоговые мо­дели в том смысле, как их понимают в общей теории моделирования (М2).

Переход к моделированию осуществляется на этапе решения собственно дизайнерских задач – вначале в принципиальном виде (например, моделирование какого – либо типа форм, потенциально способных участвовать в решении дизайнерских задач), а затем на предпроектной стадии, в типологической форме (например, покрытие для бассей­на). Этот этап моделирования можно назвать синтетическим (СМ).

Синтетическая модель в биодизайне возникает не просто как аналог живой природы, а прежде всего в связи с родственностью явлений дизайна и живой природы.

Итоговые, синтетические биодизайнерские модели должны учитывать все предъявляемые к дизайну утилитарные и духовные требования, не исключая традиций и влияния многих внешних по отношению к дизайну факторов (другие виды искусства, мода и т. д.).

Отсюда в бионике (в отличие, например, от кибернетики) возможно не только принципиальное, но и конкретное сходство биодизайнерских моделей с аналоговыми формами живой природы. Добавим, что синтетические модели не отрицают, а наоборот, подразумевают участие в процессе других видов моделей (например, математических).

В науке справедливо вводится ограничение понятия модели, так как модель часто, по мнению ученых, не­ законно отождествляется с гипотезой, абстракцией, формализованными системами, идеализацией, любым математическим описанием, теорией, особенно, когда последняя находится в первоначальном, гипотетическом состоянии. Простая замена одного термина другим, в данном случае указанных понятий термином «модель», не порождает новых гносеологических проблем и не пре­ вращается в более эффективное средство их исследова­ния или решения.

Чтобы избежать в дальнейшем путаницы, рассмот­рим, в чем отличие теории (в нашем случае теории биодизайна) от модели ?

Под теорией, как известно, несмотря на некоторое различие формулировок, понимается логическая систе­ма совокупных утверждений об общих законах той или иной предметной области исследования, позволяющая на основе исходных посылок выводить определенные следствия.

Отличие модели от теории особенно очевидно в слу­чае материально – вещественных моделей, которые представляют собой предметную реализацию самой теории. Близко к этому стоит выделение у В. А. Штоффа обоб­щающей специфики модели как «единичного объекта».

Попытаемся, в итоге вывести суммарную «формулу» понятия биодизайнерской модели.

Под биодизайнерскиой моделью подразуме­вается такая мысленно представляемая или вещественно (материально) реализованная система, которая в конкретно – образной форме отражает и синтезирует законы и принципы формообразования живой природы и дизайна с целью выполнения дизайнерских задач, а также получения новой информации о законах и принципах формообразования в живой природе и в дизайне.

ХАРАКТЕРИСТИКА СВОЙСТВ АРХИТЕКТУРНО - БИОНИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Модель должна включать прежде всего материалистический принцип отражения (отображения) и пониматься как средство отражения (отображения) или воспроизведения той или иной части действительности.

Следовательно, модели могут изменять свои свойст­ва в зависимости , во - первых, от того, как происходит, каким способом ведется процесс отражения действительности, какими средствами строятся модели (формальный аспект) и , во - вторых , от характера той действительности, тех объектов и областей объективного мира , которые воспроизводятся в моделях ( содержа­ тельный аспект ).

В зависимости от способа построения моделей, от средств, какими производится моделирование объектов, модели могут быть разделены на два вида: 1) вещественные – материальные; 2) идеальные – воображаемые, умозрительные.

К первому виду относятся модели, объективно существующие, воплощенные в металле, дереве, стекле, армоцементе, пластмассах и других материалах.

В науке в определенных случаях к ним относят также и живые модели, отобранные человеком и позволяющие в упро­щенной форме имитировать изучаемые особенно слож­ные процессы. Живая модель может проходить испытания, например, на конструктивную прочность или на температурно - влажностные изменения и т. п. Наименование второго вида модели говорит само за себя.

Среди вещественных моделей можно также выделить определенные разновидности. Примем в качестве основ­ного (отправного) критерия этой классификации способность моделей к действию. Здесь можно зафиксировать три разновидности.

Первая разновидность – изобразительные модели – имеет способность отображать, создавать образ объекта, что характеризуется в итоге геометрическим подобием. Примером здесь могут служить хорошо известные макеты домов, генеральных планов городов и т. д. Важное место в этой группе, как показал опыт, занимают слепки с форм живой природы, позволяющие изучать их геометрические и физические параметры в лабораторных условиях. Эти модели дают воз­можность осваивать эстетические свойства форм, абстрагированных от функций, – очертания, характер, строгость или мягкость линий и т. д. Изобразительные моде­ли нужны и полезны, однако далеко недостаточны в бидизайнерском моделировании, поскольку они весьма ограничивают представление о существе происходящих процессов в моделируемых объектах.

В современной практике сама по себе ценная, но односторонняя изобразительная интерпрета­ция форм живой природы нашла широкое отражение в таких направлениях, как «произвольная архитектура», «скульптура».

Вторая разновидность – действующие (функционирующие) модели, предназначенные для проверки моделируемых параметров объектов, например, испытание конструкций на механические свойства, проверка организуемого пространства на теплотехнические свой­ства. Сюда же входят и комплексные синтетические мо­дели. Это основная группа, последний этап перед внедре­нием результатов исследуемых явлений и моделей в дизайнерскую практику.

Основу моделирования в описываемой разновидности составляет физическое подобие модели и объекта, предполагающее одинаковость или сходство их физической природы и тождественность законов движения. Отношение таких материальных моделей к отображаемым объектам живой природы сопровождается обычно изменением пространственной или временной шкалы. Например, модели конструкции выполняются со значительным увеличением размеров (маленькое крыло жука и его метровая модель), не говоря уже о натуре – дизайнерских объектах. Кстати, в техническом моделировании – обратная зависимость размера модели от моделируемого объекта (модель корабля, плотины и т. д.). Или изменение временной шкалы: трансформация конструкций может происходить в более ускоренном темпе, чем, например, в моделируемом процессе раскрытия бутона цветка флоксы.

Третья разновидность – смешанные модели. Они предназначены главным образом для моделирования связей, изучаемых в изобразительных и действующих моделях, – законов геометрии и принципов конструирования (объективные основы тектоники); формы и размерностей функционирующего – элемента (пропорции); функции и формы (симметрия – асимметрия, ритмы) и др.

Вещественные или материальные модели неразрывно связаны с идеальными или воображаемыми моделями, так как мысленное представление о моделях предшест­вует их овеществлению. Особенностью таких моделей является необязательная, а часто и невозможная реали­зация в вещественных моделях (схема II).

Имеются также разновидности и этих моделей. На­пример, рассматривая модели с точки зрения способа их построения – формы, их можно разделить на три подгруппы: первая – образные модели, вторая – знако­вые и третья – смешанные, образно – знаковые модели (ЗН). Не останавливаясь подробно на рассмотрении известного в научном мире их содержания, обратим вни­мание лишь на преимущественное значение в биодизайне образных моделей, что соответствует и преобладанию образного мышления в дизайнерском творчестве.

В биодизайне, так же как и в других отраслях научных знаний, существует возможность зна­чительно расширить число видов моделей за счет учета разнообразия объектов исследования (растительный мир, животные организмы, конструкции и строительный материал живой природы), уровня их проработки (пол­ные, частичные), динамики (изменяющиеся во времени) и статики и т. д.

БИОДЕЗАЙНЕРСКИЕ МОДЕЛИ КАК СРЕДСТВО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Сравнивая вещественные и идеальные модели, необ­ходимо отметить их следующее важное гносеологичес­кое различие. Несмотря на то, что вещественные модели создаются для определенных целей человека, они су­ществуют объективно по законам, относительно незави­симым от человека.

Идеальные модели, воспроизводя те же явления, что и вещественные, существуют лишь в сознании познаю­щего субъекта и «функционируют» только благодаря его мысленным операциям. В этом смысле они весьма «гибкие» и поддаются быстрым трансформациям.

В то же время вещественные модели уже относятся к определенной среде практической деятельности и от них значительно ближе к реализации биодизайнерских идей в практике. Оперирование же мысленными идеями – это область теоретической (умственной) деятельности, складывающейся как из логического мышления, так и из процессов творчес­кого воображения. Однако такое разделение не означает наличия резких границ между вещественной и мыс­ленной моделью, между практикой и теорией моделирования, тем более когда дело касается научного экспериментально – вещественного моделирования ( есть и другой род вещественных моделей – образцы, стандартные экземпляры, выпускаемые на практике, эксперимен­тальное производство, к которым мы обратимся ни­ же).

Эксперимент рассматривается наряду с производст­вом и общественно – преобразующей деятельностью как одна из основных форм практики. Эксперимент выража­ет активное отношение человека к действительности.

Бидизайнерский эксперимент в виде ве­щественных моделей также представляет собой наиболее активную форму связи теории с практикой, дизайна с живой природой. И здесь очень важно не пре­вращать бидизайнерский эксперимент в наблюдение, в простую пробу и испытание. Такого рода «эксперименты» можно наблюдать и у животных – лошади, нащупывающие ногами рискованный спуск, кошки, испытывающие лапой степень теплоты молока, и т. д.

Сущность эксперимента в архитектурной бионике включает не только активность, действенность позна­ния, но и предметную деятельность. И если в естествен­ных науках – это активное, предметное воздействие на природу, то в биодизайне предметность заключается в созидании конкретных моделей, в которых заложена преобразующая идея дизайнерской действительности , и в этом же заключено активное отноше­ние экспериментатора к внешнему миру.

В науке установлены следующие позиции, определяю­щие понятие эксперимента, которые мы дополняем своими соображениями, относящимися к исследуемому нами предмету.

Практическое реальное выделение изучаемых связей и умение их очистить от других, случайных, ненужных связей, не имеющих значения для дизайнерских элементов, что также аналогично процессу абстрагирования в теоретическом мышлении.

Первый этап – создание относительно крупно – масштабной гипотетической действующей конструктив модели (1-го рода) без предварительного эксперимента с испытанием биологического объекта на конст­руктивные свойства. Подразумевается использование принципов построения конструктивной формы – идеи конструктивистской формы и, как говорят инженеры, возможной «игры» в конструкции. Фактически это путь открытия изобретательства новых конструкций форм и систем, не исключающий и совершенствования отдельных их цементов.

Второй этап – получение единства конструк­тивной формы и конструктивных материалов, соответ­ствующих исследуемому биологическому объекту, а также теоретических выводов о напряженном состоя­нии и возможной системы расчета конструкции. Этот результат приобретает вид относительно крупномас­штабной действующей конструктивной модели 1-го рода, в которой проводится при помощи соответствующих технических средств корректировка механической работы и ее тектонических свойств. В моделировании неизбежно возникает необходимость изучения и эстетических свойств конструктивной формы (ритмика, пропорции, симметрия и т. д.). Таким образом, в процессе моделирования продолжается субъективная деятельность эксперимента­ тора. Вместе с тем к ней присоединяются объективные моменты – сама модель (фактически, эксперименталь­ная установка) и технические средства ее испытания и анализа.

Теоретической основой физического моделирования должна быть теория подобия. В данном случае, который связан с конструированием дизайнерских форм, подразумевается теория подобия, относящаяся к механи­ческому движению. В формулировку теоремы подобия включаются ограничительные условия о качественной однородности подобных систем : «Чтобы физические процессы были подобны друг другу, необходимо и достаточно, чтобы они были качественно одинаковыми, а их одноименные определяющие критерии подобия имели одинаковую величину.

Однако теория подобия, ограничивающая сходство моделей с натурой лишь их физическими свойствами, в частности механическим движением, не дает полной картины отражения действительности и часто приводит к грубым ошибкам. В моделировании большое значение имеют не только фи­зические свойства, но и единство физических и прост­ранственно – геометрических свойств, обусловленных как механическим движением, так и более сложными, биологическими процессами, не говоря уже о психологичес­ких моментах восприятия формы и ее эстетических свойств.

Практика моделирования природных объектов во всех случаях выходит за пределы сравнительно ограниченного круга механических явлений и принимает форму более абстрактной теории подобия – изоморфизма, основанной на применении математических способов моделирования.

Изоморфизм и представляет собой взаимно однозначное (двухстороннее) соответствие систем, хотя понятие изоморфизма относительно и является строгим только для выделенных анализом элементов и связей.

Близко к понятию изоморфизма гомоморфизм. Оно обозначает случаи меньшего сходства по сравнению с изоморфизмом. Если отношение фотографического отпечатка и негатива – это хорошая иллюстрация изоморфизма, то отношения между географической картой и местностью являют собой пример го­моморфизма. Однако и изоморфизм, и гомоморфизм основываются на родственных связях вещей.

Основой изоморфизма является тождество математической формы законов разных областей природы – механических, электрических, термодинамических, тепло­вых и т. д., т. е. источником аналогий являются основные принципы существования материи, наличие в природе и в обществе закономерностей, отражающих общий характер некоторых форм движения (в широком смысле этого слова).

Еще более общим, чем математический, является метод моделирования, применяемый в кибернетике. Рамки его применения значительно расширяются. Он проникает в области, которые до этого многие философы и естествоиспытатели, опасавшиеся возрождения механицизма, считали запретными для моделирования, т. е. в области биологических и социологических систем и процессов. Кибернетический метод моделирования проявляется и в том, что он дает возможность абстрагироваться не только от конкретных форм вещей и явлений, но и от ряда конкретных и специфических отношений между элементами, т. е. от частных законо­мерностей. Кибернетика фиксирует свое внимание на общих законах функционирования управляющих и самоорганизующихся систем независимо от того, являют­ся ли они социальными процессами, техническими устройствами (машинами), созданными человеком, или живыми организмами.

В бионике на этапе бионического экспериментального моделирования возможно также воспроизведение функционального, поведенческой процесса живой природы (технология производств; материалов, моделирование роста и развития природных структур – алгоритма взаимодействия этапов роста и др.).

В этом случае используются технические средства, а задачу которых не входит воспроизведение в модели всех конструктивных деталей оригинала. Причем, имеется стремление к совершенствованию структуры (на пример, конструкции), к приданию ей гибкости, надежности, экономичности и т. д. на основе изучения оригинала.

Возможна и другая линия – моделирование структуры (конструкции) оригинала, выполняющей те иле иные функции, например трансформации. В этом случае система движения элементов в пространстве, удовлетворяющая определенным функциям организма, тесно связана с его структурой и формой отдельных его элементов (спиралевидное раскрытие элементов цветка флоксы, радиальное – лепестков календулы и пр.). Сюда же входит наличие каналов обратной связи, по которым циркулируют вода или газы, регулирующие давление в узлах, а следовательно, и движение элементов формы организма. Поэтому изучение структуры может стать основанием для расширения функциональных возможностей моделируемого объекта (трансфор­мируемая кровля, координация движения элементов конструкции зданий в сейсмических условиях, амортизация вибрации звуковых стрессов и т. п.).

Основным условием жизни вообще является взаимодействие живого организма с окружающей средой. В этом взаимодействии существенную роль играет двигательная деятельность. Только передвигаясь, животное может находить себе пишу, защищать свою жизнь, производить потомство и обеспечивать его существование. Только при помощи разнообразных и сложных движений человек совершает трудовую деятельность, общается с другими людьми, говорит, пишет и пр.

Наиболее элементарной формой движения материи является механическое движение, т.е. перемещение тела в пространстве. Закономерности механического движения изучаются механикой. Предметом механики как науки является изучение изменений пространственного расположения тел и тех причин, или сил, которые вызывают эти изменения.

Вскрывая и описывая условия, необходимые для осуществления того или иного механического движения, механика является важной теоретической основой техники, в особенности техники построения разнообразных механизмов. Механическая точка зрения может быть использована и при изучении механических движений человека.

Двигательная деятельность человека практически осуществляется при участии всех органов тела. Однако непосредственным исполнителем функции движения является двигательный аппарат, состоящий из костей, скелета, связок и мышц с их иннервацией и кровеносными сосудами. С механической точки зрения, двигательный аппарат совмещает в себе рабочую машину и машину-двигатель.

Устройство двигательного аппарата является предметом изучения анатомии. Изучение двигательного аппарата как машины-двигателя производится, главным образом, биохимией и физиологией. Изучение его как рабочей машины является задачей особой научной дисциплины - биомеханики.

Биомеханика - наука о законах механического движения в живых системах. Она изучает движения с точки зрения законов механики, свойственных всем без исключения механическим движениям материальных тел. Специальных законов механики, особых для живых систем не существует.

Термин биомеханика составлен из двух греческих слов: bios – жизнь и mexane – орудие. Как известно, механика – это раздел физики, изучающий механическое движение и механическое взаимодействие материальных тел. Отсюда понятно, что биомеханика – это раздел науки, изучающий двигательные возможности и двигательную деятельность живых существ. Она изучает движения с точки зрения законов механики, свойственных всем без исключения механическим движениям материальных тел. Специальных законов механики, особых для живых систем не существует.

Однако сложность движения и функций, живого организма требует тщательного учета анатомо-физиологических особенностей. Иначе нельзя правильно использовать законы механики в изучении сложных движений организмов. Нередко то, что выгодно с точки зрения законов механики, нецелесообразно, если учесть особенности строения и функций живого организма. Так, с точки зрения законов механики, для большей устойчивости тела выгодно придать его центру тяжести более низкое положение. Но горнолыжник не станет применять на неровном склоне низкую стойку, т.к. она затрудняет амортизирующую работу уже растянутых мышц. Таким образом, законы механики хотя и занимают главное место в биомеханике, но не могут использоваться без знания строения и функций организма.

Наибольший практический интерес представляет изучение движений человека и высших животных. Первые научные труды здесь написаны Аристотелем (384–322 гг. до н. э.), которого интересовали закономерности движения наземных животных и человека. А основы наших знаний о движениях в воде заложены Архимедом (287–212 гг. до н. э.).

На становление биомеханики оказали влияние выдающиеся мыслители прошлого: римский врач Гален (131 – 201 гг.), Леонардо да Винчи (1452–1519 гг.), Микеланд-жело (1475–1564 гг.), Галилео Галилей (1564–1642 гг.), Исаак Ньютон (1642–1727 гг.), ученик Галилея Джован-ни Альфонсо Борелли (1608–1679 гг.) – автор первой книги по биомеханике «О движениях животных», вышедшей в свет в 1679 г.

И. М. Сеченов (1829 – 1905гг.), П. Ф. Лесгафт (1837 – 1930гг.), А. А. Ухтомский (1875–1942гг.) и основоположник отечественной биомеханической школы Н. А. Бернштейн (1896–1966 гг.) много сделали для развития биомеханики труда и спорта. Кроме того, в последние десятилетия возникли и развиваются:

– инженерная биомеханика, основные достижения которой связаны с роботостроением;

– медицинская биомеханика, исследующая причины, последствия и способы профилактики травматизма, прочность опорно-двигательного аппарата, вопросы протезостроения;

– эргономическая биомеханика, изучающая взаимодействие человека с окружающими предметами с целью их оптимизации.

Рис. Архитектоника современной бимеханики.

1) Применение результатов исследований для развития механики, биологии и медицины, в том числе для целей диагностики, для создания заменителей тканей и органов, для разработки методов влияния на процессы в живых объектах, для создания методов анализа и коррекции естественных, трудовых и спортивных движений, для разработки методов защиты человека от неблагоприятных воздействий механических факторов;

2) определение механических параметров биологических объектов и биоматериалов, в частности, для последующего их воссоздания посредством методов биоинженерии. Биомедицинская инженерия – это разработка и применение технических устройств (материалов) для биологической и медицинской практики на основе фундаментальных знаний о физических характеристиках и функционировании биологических материалов и структур. С другой стороны, многие характеристики опорно-двигательного аппарата используются при проектировании других технических систем, что является предметом бионики. Так, данные о структуре и механизмах управления «живыми кинематическими цепями» со многими степенями свободы (например, рука, начиная от ключично-лопаточного сочленения, имеет 33 степени свободы, что обеспечивает возможность чрезвычайно разнообразных движений и поворотов) применяются при создании автоматов-манипуляторов и роботов, используемых в различных областях техники;

3) изучение реакции клеток, тканей, органов, систем органов и организма человека в целом на внешние механические воздействия (например, вибрацию, удар, акустическое излучение, перегрузки или невесомость);

4) исследование механических ответов биологических структур на

немеханические воздействия, например изменение гидравлического сопротивления сосудов в результате действия химического вещества на их гладкую мускулатуру;

5) изучение механических факторов, вызывающих развитие патологического процесса, и механических проявлений этого процесса (например, образования атеросклеротических бляшек вследствие изменения условий движения крови) в целях развития и совершенствования физических методов диагностики заболеваний (ультразвук, электронная микроскопия, атомная силовая микроскопия и т.д.).

Методы биомеханики:

1) использование классических методов теоретической и прикладной механики (например, измерение скорости движения жидкостей и газов в организме, создание физических моделей) в сочетании с известными методами, применяемыми в биологии и медицине (например, плетизмография, ультразвуковая диагностика);

2) разработка основ новых методов диагностики и наблюдения за состоянием биологических объектов – таких, например, как определение радиационных нарушений в структуре молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) по вязкости ее растворов, совершенствование ультразвукового зондирования сердца и сосудов, компьютерная томография и т.д.;

3) создание математических моделей, позволяющих вычислять недоступные прямому измерению (например, во время операции) биомеханические параметры. Роль компьютерного моделирования в биомеханике трудно переоценить. На основе количественных данных создаются модели биологических процессов и структур; соответствующие программы могут предсказать поведение биологической структуры, системы или организма в зависимости от внешних воздействий, лечения, развития болезни или старения. Компьютерные модели способны приблизительно описать механику работы различных частей тела, например бедренной кости в области тазобедренного сустава, или же они могут описать, каким образом замена головки берцовой кости на искусственную повлияет на функционирование кости в целом.

Можно использовать моделирование и для анализа возможных изменений например в конструкции протеза, а также связанного с ними риска для больного. Важнее всего то, что компьютерное моделирование позволяет избежать проведения экспериментов на людях и животных.
Фундаментальные и прикладные области биомеханических исследований:

1) Изучение механических свойств и структуры биологических макромолекул, клеток, биологических жидкостей, мягких и твердых тканей (биореология), отдельных органов и систем.

2) Изучение движения биологических жидкостей, тепло - и массопереноса, напряжений и деформаций в клетках, тканях и органах.

3) Изучение механики движения клетки и субклеточных структур (мембран, цитоскелета, цитоплазмы, ресничек и т.п.), включая митотические движения, фагоцитоз, везикулярный транспорт.

4) Изучение механики опорно-двигательной системы, плавания, полета и наземного движения животных, механики целенаправленных движений человека, движения совокупностей живых организмов, двигательной активности растений.

5) Изучение механических основ и проявлений регуляции (управления) в биологических объектах.

6) Разработка на основе методов механики средств для исследования свойств и явлений в живых системах, для направленного воздействия на них и их защиты от влияния внешних факторов.

7) Изучение механических основ и проявлений процессов роста, развития и адаптации биологических объектов.

8) Создание заменителей (имплантатов и протезов) органов и тканей.
Биомеханика делится на общую, дифференциальную и частную.

Общая биомеханика решает теоретические проблемы и помогает узнать, как и почему человек двигается.

Дифференциальная биомеханика изучает индивидуальные и групповые особенности двигательных возможностей и двигательной деятельности. Изучаются особенности, зависящие от возраста, пола, состояния здоровья, уровня физической подготовленности и т. п.

Частная биомеханика рассматривает конкретные вопросы технической и тактической подготовки в отдельных видах спорта и разновидностях массовой физкультуры. В том числе в оздоровительном беге и ходьбе, общеразвивающих гимнастических упражнениях, ритмической гимнастике на суше (аэробика) и в воде (акваробика) и т. п. Основной вопрос частной биомеханики – как научить человека правильно выполнять разнообразные движения или как самостоятельно освоить культуру движений.

На трех «этажах» (уровнях) биомеханики изучают: движения – двигательные действия – двигательную деятельность. На первом уровне фактические данные для исследования движений добываются чаще всего в экспериментах с изолированными мышцами и другими частями тела животных.

За редким исключением (например, движения новорожденного) здоровый человек выполняет целенаправленные и мотивированные движения, или двигательные действия. На этом уровне биомеханика изучает и совершенствует технику двигательных действий (например, технику прыжка, удара, шага и т. д.).

Третий уровень биомеханики посвящен тактике двигательной деятельности. При выполнении физических упражнений двигательная деятельность складывается из двигательных действий, как цепь из звеньев. Например, бег состоит из отдельных шагов; стрельба – из изготовки, прицеливания и выстрела; штрафной удар в футболе – из разбега и удара ногой по мячу. Двигательные действия в такой цепи взаимосвязаны и взаимообусловлены. Поэтому двигательная деятельность – это система двигательных действий.

Биомеханика занимает особое положение среди наук о физическом воспитании и спорте. Она базируется на анатомии, физиологии и фундаментальных научных дисциплинах – физике (механике), математике и теории управления. Взаимодействие биомеханики с биохимией, психологией и эстетикой дало жизнь новым научным направлениям, которые, едва родившись, уже приносят большую практическую пользу. В их числе «психобиомеханика», энергетические и эстетические аспекты биомеханики.

Более других медико-биологических и педагогических дисциплин биомеханика использует достижения электронно-вычислительной техники.

Но главное – биомеханика служит связующим звеном между теорией и практикой физического воспитания, спорта и массовой физической культуры. Опираясь на знание биомеханики, педагогу легче учить своих воспитанников. Но для этого необходимо уметь анализировать двигательную деятельность, или, говоря на профессиональном языке, читать движения. Здесь можно провести аналогию с музыкой. Неспециалист воспринимает фонограмму музыкального произведения эмоционально. А профессионал-музыкант различает голоса разных инструментов, тонко оценивает согласованность их звучания, замечает ошибки и, кроме того, может «мысленно услышать» звуки, записанные на нотных линейках. Так и специалист по физическому воспитанию должен уметь «мысленно увидеть» движение, если зарегистрированы его характеристики (траектория, скорость, сила и т. д.).

R Фазы

Рис. 2. Фазовый состав ударного действия в теннисе (по Л. С. Зайцевой) :

Процедура анализа двигательной деятельности (биомеханического анализа) состоит из следующих этапов:

1. Изучение внешней картины двигательной деятельности. Прежде всего выясняют, из каких двигательных действий она состоит и в каком порядке действия следуют друг за другом. Например, школьный урок физической культуры состоит из ряда упражнений. Нужно учитывать, что характер, продолжительность и интенсивность предшествующих упражнений оказывают влияние на качество выполнения последующих.

Изучая внешнюю картину двигательной деятельности, регистрируют кинематические характеристики. Особенно важно знать продолжительность отдельных частей движения (фаз), графическим отображением чего является хронограмма. Хронограмма двигательного действия характеризует технику (рис. 2), а хронограмма двигательной деятельности — первое, на что обращают внимание при анализе спортивной тактики.

2. Выяснение причин, вызывающих и изменяющих движения. Они не доступны визуальному контролю, и для их анализа необходимо регистрировать динамические характеристики (см. в главе 3). Важнейшее значение здесь имеют величины сил, действующих на человека извне и создаваемых его собственными мышцами.

3. Определение топографии работающих мышц. На этом этапе выявляется, какие мышцы и как участвуют в выполнении данного упражнения. Зная, какие мышцы преимущественно обеспечивают двигательную деятельность, к которой готовит себя человек, можно из множества физических упражнений отобрать способствующие развитию именно этих мышц и их координации.

В зависимости от того, какая часть всей мышечной массы тела задействована, различают: глобальную мышечную работу (более 2/3), регионарную (от 1/3 до 2/3) и локальную (менее 1/3)- Так, бегуны, пловцы, лыжники выполняют глобальную мышечную работу. К регионарной относится, например, мышечная работа, выполняемая при некоторых общеразвивающих гимнастических упражнениях (подтягивании на перекладине, поднимании ног и верхней части туловища из положения лежа на спине и т. п.).

Представление о том, какие мышцы задействованы в каждом упражнении, можно получить, регистрируя их

Схематическое изображение мышц тела человека и мест наложения электромиографических электродов.

Граничные позы при подтягивании в висе лежа на низкой перекладине (штриховкой обозначены наиболее активные мышцы):

1 – мышцы-сгибатели кисти; 2 – трехглавая м. плеча; 3 – двуглавая м. плеча; 4 – плечелучевая м.; 5 – большая грудная м.; 6 – широчайшая м. спины; 7 – четырехглавая м. бедра; 8 – мышцы-разгибатели стопы; 9 – прямая м. живота электрическую активность. Чем интенсивнее работает мышца, тем выше ее электрическая активность и больше амплитуда электромиограммы.

Хорошо известно, что разные движения отличаются одно от другого по кинематике (внешней картине) и динамике (характеру силовых взаимодействий). Точно так же и электромиографический портрет движений неодинаков в разных упражнениях. Но, как пишет Р. С. Персон, «даже весьма сложные движения, если они достаточно автоматизированы (например, ходьба и другие локомоции, обычные бытовые, профессиональные и спортивные движения), имеют более или менее постоянный рисунок возбуждения мышц не только при повторении движения одним человеком, но и у разных людей». (Персон Р. С. Электромиография в исследованиях человека. – М., 1969. – С . 137).

4. Определение энергетических затрат и того, сколь целесообразно расходуется энергия работающих мышц. Для ответа на эти вопросы регистрируют энергетические характеристики. Наряду с величинами энергозатрат важна экономичность, которая тем выше, чем больше доля полезных энергозатрат по отношению ко всей затраченной энергии. Подсчитано, например, что у стайеров высшей квалификации повышение экономичности бега на 20% перемещает бегуна в списке лучших с 10-го на 1-е место.

5. Выявление оптимальных двигательных режимов (наилучшей техники двигательных действий и наилучшей тактики двигательной деятельности) осуществляется на заключительном этапе биомеханического анализа. Здесь же оценивается степень соответствия реально имеющих место и оптимальных вариантов техники и тактики.

Оптимальным (от лат. optimus — наилучший) называется наилучший вариант из всех возможных. В спорте (а в последнее время и в оздоровительной физкультуре) постоянно идет поиск оптимальных вариантов техники и тактики и определение степени соответствия реально наблюдаемого двигательного режима оптимальному. Тем самым решается задача оптимизации двигательной деятельности или ее рационализации (если не удается достичь идеала, но можно к нему приблизиться).

Оптимизацией называют выбор наилучшего варианта из числа возможных. Но что такое наилучший вариант двигательной деятельности? Общего ответа на этот вопрос не существует, поскольку все зависит от конкретной ситуации и поставленной цели. Так, человек, спасающийся от преследователей, не думает о красоте и экономичности. Главное — бежать быстро. Другое дело, гимнастка, выполняющая вольные упражнения. Она стремится двигаться как можно красивее, в соответствии с эстетическими канонами своего вида спорта. В этих ситуациях различны цели людей. И потому неодинаковы критерии оптимальности, т. е. показатели, используемые для оценки степени достижения поставленной цели.

Экономичность двигательной деятельности обратно пропорциональна энергии, затрачиваемой на единицу выполняемой работы или метр пройденного пути. Это важнейший критерий оптимальности.

Механическая производительность тем выше, чем больший объем работы выполняется за определенное время или чем быстрее выполняется данный объем работы. Например, в циклических видах спорта механическая производительность оценивается временем преодоления соревновательной дистанции, а в массовой физической культуре – расстоянием, которое человек может пройти, пробежать или проплыть за 12 мин.

Экономичность

Механическая производительность

1) Определение биомеханики.

2) История биомеханики как предмета.

3) Основные разделы биомеханики.

4) Уровни и задачи изучения биомеханики.

5) Методы биомеханики.

6) Области биомеханических исследований