Історія біомеханіки

1. Зародження біомеханіки як науки

«Наука механіка тому настільки благородна і корисна більше всіх інших наук, що всі живі тіла, що мають здатність до руху, діють за її законами».

Леонардо Да Вінчі

Рухи живих істот цікавили людину з давніх часів. Однак відсутність наукових методів їх вивчення обмежувало можливість оцінити значення механізмів, що лежать в основі рухів. Проте, такі вчені, як Арістотель, Клавдій Гален, Леонардо да Вінчі, заклали основи науки про рухи людини та тварин.

Арістотель (384-322 до н.е.) - видатний грецький вчений, мислитель, описав різні типи ходи, намагаючись зрозуміти, які сили діють на людину при ходьбі. Він може вважатися першим біомеханіки через те, що написав трактат: «De Motu Animalium» - «Рухи тварин».

Великий внесок у вивчення функцій про механіку локомоції організму людини Клавдія Галена (129 - 201 рр н.е.) - анатома, лікаря і натураліста, який вважається класиком античної медицини. Клавдій Гален був лікарем римського імператора Марка Аврелія і написав понад 400 трактатів по медицині, серед яких є праця про функції людського тіла. Вивчаючи анатомію і фізіологію, Гален широко використовував досліди на тваринах. Він встановив, що задні корінці спинного мозку є чутливими, а передні - руховими. Гален спростовував думку Арістотеля про мозок як про залозу, що виділяє слиз для охолодження теплоти серця. Він вважав, що мозок є осередком руху, чутливості та душевної діяльності.

На розвиток біомеханіки в середині 15-16 століть великий вплив мали дослідження Леонардо да Вінчі (1452 - 1519) - видатного італійського живописця, скульптора, математика, механіка та інженера. Як художник, Леонардо да Вінчі велику увагу приділяв вивченню анатомії, особливо пропорцій людського тіла. Збереглося безліч малюнків Леонардо да Вінчі, присвячених дослідженню розташування м'язів і внутрішніх органів (Зошити з анатомії, рис. 1). Його успіх, як видавтного художника також чимало залежить від біомеханічної спрямованості його картин, в яких детально промальована техніка руху.

Леонардо да Вінчі надавав особливого значення точним наукам у вивченні функцій людини. Він писав: «Наука механіка тому настільки благородна і корисна більш всіх інших наук, що, як виявляється, всі живі істоти, що мають здатність до руху, діють за її законами». Вивчаючи ходьбу, біг та інші рухи людини, Леонардо да Вінчі висловив думку про необхідність використання досягнень механіки для їх дослідження.

В анатомічних дослідженнях Леонардо да Вінчі, узагальнюючи результати розтинів, розглядав організм як зразок «природної механіки». Він першим описав ряд кісток та нервів, особливу увагу приділив проблемам порівняльної анатомії, прагнучи ввести експериментальний метод, крім фізики, і в біологію. Наприклад, його уявлення: "М'язи починаються і закінчуються завжди в дотичних кістках, і ніколи вони не починаються і не закінчуються на одній і тій же кістці, бо вони нічого не могли б рухати, хіба тільки самих себе".

Леонардо да Вінчі, безумовно, є засновником і функціональної анатомії, як складової частини біомеханіки. Він не тільки описав топографію м'язів, а й значення кожного м'яза для руху тіла. Його спостереження, важливі і в наші дні, а в середні 15-16 століття були революційними.

Великий внесок у розвиток біомеханіки як науки вніс італійський астроном, математик і лікар Джованні Альфонсо Бореллі (1608-1679), який, так само як і Леонардо да Вінчі, розглядав м'язи та опорно-руховий апарат тварин і людини з позицій механіки (рис. 2).

ж. Бореллі вчив, що скорочення м'язів залежить від набухання клітин внаслідок проникнення туди крові і духів; останні йдуть по нервах довільно або мимовільно; як тільки духи зустрінуться з кров'ю, відбувається вибух і з'являється скорочення. У своїй книзі «De Motu Animalium» - («Руху тварин») Дж. Бореллі підбив підсумки накопичився досвіду у вивченні рухів, розвинув ідеї Леонардо да Вінчі і дав істотний поштовх дослідженням механіки рухів живих істот. Він розглянув з точки зору механіки умови рівноваги людського тіла, дав визначення загального центру ваги на основі експериментальних даних. Книга вийшла у світ в 1680 році в Римі після смерті Дж. Бореллі. Крім того, він розглянув роботу веретеноподібних і перистих м'язів (рис. 3); навів перші моделі м'язів (рис. 4), а також описав руху живих істот: ходьбу, біг, плавання, політ.

Слід зазначити, що математичний апарат того часу найбільше був пристосований для вивчення статичних положень людини, оскільки ще не була опублікована знаменита книга Ісаака Ньютона «Математичні початки натуральної філософії», в якій були закладені основи диференціального й інтегрального числення. Цю книгу дослідники та науковці побачили в 1686 році, через сім років після смерті Бореллі.

Подальший розвиток біомеханіки як науки пов'язано з працями німецьких вчених - братів Едуарда і Вільгельма Веберів. Едуард Вебер був анатомом, а Вільгельм - фізиком. У 1836 році вони видали книгу «Mechanik der menschlichen Gehwerkzeuge» - «Механіка ходьби людини». У цій книзі вони привели дані про кінематичні характеристики ходи людини. Однак недосконалість використовуваних методик позбавила змоги провести аналіз швидкоплинних рухових дій. У біомеханіки м'язів досі справедливий принцип, вперше сформульований Е. Вебером: «Сила м'язів, при інших рівних умовах, пропорційна їх поперечному перерізу».

2. Роль наукових методів у розвитку біомеханіки

Проникнення в біомеханіку справді наукових методів дослідження пов'язано з французьким винахідником Жаком Луї Дагером (1787 - 1851). У 1839 році ним був розроблений перший практичний спосіб фотографії.

Подальший крок по впровадженню наукових методів дослідження в біомеханіку був зроблений французьким фізіологом Етьєном-Жюлем Маре (1830-1904). Е.Ж. Маре розробив метод пневмографа - записи опорних реакцій за допомогою передачі тиску повітря. У підошви черевика людини вбудовувалися повітряні камери. Під час опори тиск повітря в камері підвищувався, воно передавалося по трубочках на прилад, який випробуваний тримав в руці (рис. 5).

Це дозволило визначити тривалість періодів опори й польоту при ходьбі та бігу. Більш серйозним винаходом Е.Ж. Маре є силова платформа, що дозволяє реєструвати величину реакції опори при відштовхуванні. У 1872 році американський фотограф Едвард Майбрідж (1830-1904), поставивши в ряд кілька фотоапаратів, отримав моментальні знімки послідовних фаз руху людини та тварин (рис. 6).

Е.Ж. Маре удосконалив цей метод, запропонувавши фотографічну рушницю (1882), яка дозволяла виробляти один за іншим 12 знімків. За допомогою «рушниці» він знімав і вивчав політ птахів і комах, ходьбу, біг, стрибки людини. У 1880 році Е.Ж. Маре винайшов хронофотограф - фотографування всього руху на одну платівку.

Щоб це зробити, перед фотоапаратом встановлювався обертовий диск з прорізами (рис. 7). Коли проріз відкриває доступи світлового потоку до об'єктива, на пластині фіксується положення людини. В результаті фільмування на одній пластині виходить ряд положень людини в послідовні моменти часу. Перші хронофотографії були дуже поганої якості.

Надалі Етьєн-Жюль Маре обмежив кількість кадрів об'єктів, що рухаються. «Він одягнув людину з голови до ніг в чорне трико і на голову накинув капюшон. З усієї поверхні тіла він залишив світлими тільки вузенькі смужки уздовж осей ланок кінцівок, а голову зазначив світлою крапкою. Смужки були зроблені зі сріблястої тасьми. Тепер на його фотографіях стали з'являтися паличкові схеми-чоловічки, які нагадують чоловічка з сірників (рис. 8). Завдяки вузькості цих "сірників" він міг зафільмувати фази руху частіше, не боячись, що одна фігура належиться на іншу. (Н.А. Бернштейн, 1990.- С. 252). Наступний крок був пов'язаний із заміною підсвічених стовпчиків яскравими маркерами, які кріпилися на центри суглобів. Хронофотографія поступилася місцем циклографії.

В кінці XIX століття німецькі вчений Вільгельм Брауне та студент Отто Фішер дослідним шляхом (на декількох заморожених трупах) визначили відносну вагу окремих частин тіла людини (голови, тулуба, плеча, передпліччя і т.д.), а також положення центрів ваги ланок тіла. Це дозволило почати експериментальне вивчення динаміки рухових дій.

Перший тривимірний математичний аналіз людської ходи провели Вільгельм Брауне та студент Отто Фішер в 1891 році. Методологія аналізу ходьби не змінилася до нашого часу. Крім того, Брауне і Фішер першими почали вивчати масу, об'єм і центр мас тіла людини, провівши дослідження на трупах, і отримали дані, які тривалий час використовували як біомеханічний стандарт. Таким чином було засновано розділ в біомеханиці «Геомерія мас тіла людини». Ними був також запропонований метод визначення маси сегментів тіла і його об’єму, використовуючи занурення частин тіла у воду. Ці дослідження дозволили отримати дані щодо вікових змін центрів мас тіла людини. Дослідження Брауна і Фішера поклали початок нової епохи біомеханіки - біомеханіки ходьби, а період з другої половини XIX століття стали називати століттям ходьби.

3. Новітній етап розвитку біомеханіки

Творцем теоретичної основи сучасної біомеханіки вчення про рухову діяльність людини та тварин вважають радянського вченого - Миколу Олександровича Бернштейна (1896-1966). Він створив теорію багаторівневого управління рухами, у тому числі локомоціями людини, поклавши початок розвитку нових принципів розуміння життєдіяльності організму. Поставивши в центр уваги проблему активності організму стосовно середовища, Бернштейн об'єднав біомеханіку та нейрофізіологію в єдину науку фізіологію рухів. Поняття М. А. Бернштейна про рухові задачі як психічної основи дій людини відкрило шляхи вивчення вищих рівнів свідомості в руховій діяльності людини.

На початку 20-х років XX століття він, використовуючи методику циклозйомки, отримав величезний фактичний матеріал з кінематики і динаміці ходьби, бігу і стрибка. Отримані результати М.О. Бернштейн узагальнив у книзі «Дослідження по біодинаміці ходьби, бігу і стрибка», яка була опублікована в 1940 році. Розуміючи недостатність інформації, одержуваної від ціклографічної методики, М.О. Бернштейн надавав великого значення електроміографії - методиці реєстрації біопотенціалів м'язів.

Перші використання електроміографії (тобто реєстрація електричної м’язової активності) виконувались між 1920 і 1930 рр. Ваххолдером та Альтенбюргером. Вивчаючи м’язову активність під час різних рухів, вони показують, що м’язи лежать в основі руху сегментів. Робота цих авторів мала великий вплив у галузі рухового навчання та координації м’язів.

Зазнали докладного дослідженння питання формування, будови та рішення рухових задач. Ці питання тісно пов'язані з будовою рухового апарата, складу дій як системи рухів. Ряд робіт Бернштейна присвячені вивченню динаміки м'язових сил і іннерваційної структури рухових актів. Він суттєво удосконалив техніку реєстрації та аналізу рухів, застосувавши нові методи - кіноциклограмметрія, циклограмметрія. Ідеї, які висловив Бернштейн у 30-х роках ХХ століття, передбачили основні положення розвитку біокібернетики. Він ввів чітке формулювання поняття про зворотний зв'язок в фізіології, а також про порівневу організацію рухів, про "рефлекторне кільце" у "рефлекторній дузі", засноване на трактуванні всієї системи відносин організму із середовищем як безперервного циклічного процесу.

У 1926 р. М. А. Бернштейн на основі результатів досліджень в біомеханічній лабораторії Центрального інституту праці видав труд "Загальна біомеханіка", як першої частини "Основ вчення про рухи людини". Важливо відзначити, що в підручнику "Фізіологія людини", виданому в 1946 р. під ред. М. Е. Маршака, було повністю представлено вчення Н. А. Бернштейна про координацію рухів, без якого неможливо і уявити сучасну біомеханіку, теорію праці та спорту, медичну біомеханіку, яка є основою сучасних фізичних методів лікування, які застосовують в курортології, фізіотерапії.

Шерб, швейцарський вчений, опублікував у 1940-х роках свою роботу з м’язової діяльності. Він реєстрував електричну м’язову активність різних м’язів під час ходьби на біговій доріжці. Свій метод він назвав міокінезіологією. Він використовував свої результати для діагностики можливих проблем з м’язами та для контролю після трансплантації м’язів. Він один з перших вчених, який підтримав ідею, що для автоматичних видів діяльності, таких як ходьба, нервово-м'язова стратегія засвоюється через досвід і глибоко фіксується протягом усього життя.

Між 1938 і 1943 роками в колумбійському університеті відбувались різні наукові експерименти, проведені американським ученим Елфтманом. Він вивчав розподіл мас біля ніг, функцію рук під час ходьби, обертання тіла, сили реакції ґрунту під час ходьби тощо. Його ім'я головним чином пов'язане з конструкцією першої силової пластини, чия було описано у відомому науковому журналі Science у 1938 р. (рис. 9).

В Україні розвиток біомеханіки відбувався під впливом ідей М. А. Бернштейна та його учня Д.Д. Донського, який у 1957 році видав спеціалізований підручник з біомеханіки, а в 1979 році він був перевиданий у співавторстві з В.М. Заціорським. Розвитку біомеханіки в Україні сприяло створення лабораторії біомеханіки у Київському державному інституті фізичної культури (КДІФК) та проведення у 1974 році першої Всесоюзної наукової конференції з біомеханіки.

Наприкінці 60-х років в Україні вже проводились широко­масштабні дослідження з біомеханіки. Наслідуючи традиції віт­чизняних та зарубіжних анатомів-функціоналістів, українські фахівці продовжували розвивати біомеханіку фізичних вправ. Так, у 1969 р. А.М. Лапутін розробив першу біомеханічну класифікацію опорно-рухового апарату, принципи біомеханічного моделювання його суг­лобів та окремих ланок; було сформульовано принципи аналізу так званих локомоторних механізмів. Це надало можливість на більш об'єктивній основі будувати біокінематичні схеми опорно-рухового апарату під час аналізу рухів людини. У практику вимірювань та аналізу біокінематичних характеристик Лапутіним (1970) було введено поняття про соматичну систему координат тіла людини, а також створено біокінематичні моделі хребетного стовпа людини. Анало­гічні біокінематичні моделі було розроблено для верхніх та нижніх кінцівок людини.

Становлення кафедри інформатики і біомеханіки в ХДАФК розпочалося з 1986 року, коли було створено кафедру біомеханіки та спортивної метрології, яку до 1993 року очолював проф., к.ф.-м.н. О.М. Пшисуха. З вересня 1993 року по березень 1995 року кафедрою керував професор., д.б.н. В.А. Друзь. З 27 березня 1995 року й донині (протягом 26 років) кафедру очолює проф., к.ф.-м.н., академік Міжнародної академії наук прикладної радіоелектроніки (АН ПРЕ) В.С. Ашанін. Такі кафедри плідно працюють у Львові, Харкові, Чернігові, Сумах.

Використані інформаційні ресурси

1. Бернштейн Н.А (1935). К истории изучения движений.– М.: Наука, 1990.– С. 248 — 259.
2. Донской Д.Д. Зациорский В.М. Биомеханика. Учебник для институтов физической культуры. – М.: Физкультура и спорт, 1979 г. – 264 с.
3. P.R.Cavanagh The Mechanics of Distance Running: A Historical Perspective / In Biomechanics of Distance Running: Champain, Ilinois: Human Kinetics Books, 1990.- P.1-34.
4. Chapter 1 : History and rise of biomechanics / A. Manolova & P. Debraux/ https://www.sci-sport.com/en/theory/biomechanics-of-sport-and-exercise.php