Биомеханика в спорте

Биомеханика в спорте включает в себя подробный анализ спортивных движений, чтобы минимизировать риск травм и улучшить спортивные результаты. Биомеханика спорта (англ. biomechanics in sport) и физических упражнений - это область науки, занимающаяся анализом механики движений человека [1]. Это касается описания, подробного анализа и оценки движений человека во время занятий спортом [2]. Механика - это раздел физики, который занимается описанием движения и того, как силы создают движение. Другими словами, спортивная биомеханика - это наука, объясняющая, как и почему человеческое тело движется именно таким образом. При занятиях спортом и тренировках это определение часто расширяется, чтобы также учитывать взаимодействие между спортсменом, его оборудованием и окружающей средой. Биомеханика традиционно делится на кинематику, которая представляет собой раздел механики, имеющей дело с геометрией движения объектов, включая смещение, скорость и ускорение, без учета сил, вызывающих движение, в то время как кинетика - это изучение отношения между системой сил, действующей на тело, и изменениями, которые она производит в движении тела [1] [3] [4]. Таким образом, есть скелетные, мышечные и неврологические аспекты, которые мы также должны учитывать при описании биомеханики [2].[5][6]

Применение

Согласно Кнудсону  (Knudson) [7,] характеристики движения человека можно улучшить разными способами, поскольку эффективное движение включает в себя анатомические факторы, нервно-мышечные навыки, физиологические возможности и психологические / когнитивные способности. Биомеханика - это, по сути, наука о технике движения и, как таковая, чаще всего используется в спорте, где доминирующим фактором является техника, а не физическая структура или физиологические возможности [7]. Ниже приведены некоторые из областей, в которых используется биомеханика, чтобы либо поддержать спортивные результаты, либо решить проблемы в спорте или упражнениях:

• Определение оптимальной техники улучшения спортивных результатов.
• Анализ нагрузки на тело для определения наиболее безопасного метода занятия определенным видом спорта или упражнениями.
• Оценка набора и нагрузки мышц.
• Анализ спортивного и тренировочного оборудования, например, обуви, покрытий и ракеток.

Биомеханика используется, чтобы попытаться либо повысить результативность, либо снизить риск травм в исследуемых видах спорта и физических упражнениях.

Принципы биомеханики

Важно знать несколько биомеханических терминов и принципов  при изучении роли биомеханики в спорте и тренировках.

Силы и моменты

Сила - это просто толчок или тяга, изменяющая движение сегмента тела или ракетки. Движение создается и модифицируется действием сил (в основном мышечных сил, но также и внешних сил из окружающей среды). Когда сила вращает сегмент тела или ракетку, этот эффект называется крутящим моментом или моментом силы [9] [10]. Пример: Мышцы создают крутящий момент для вращения сегментов тела во всех теннисных ударах. При подаче внутреннее вращение плеча, столь важное для силы подачи, является результатом крутящего момента внутреннего вращения в плечевом суставе, вызванного действием мышц (широчайшая мышца спины и части большой грудной мышцы и дельтовидной мышцы). Чтобы повернуть сегмент с большей силой, игрок обычно прикладывает больше силы мышц.

Законы движения Ньютона

Три закона движения Ньютона объясняют, как силы создают движение в спорте. Эти законы обычно называют законами инерции, ускорения и реакции [10] [11].

1. Закон инерции. Первый закон инерции Ньютона гласит, что объекты склонны сопротивляться изменениям в своем состоянии движения. Движущийся объект будет стремиться оставаться в движении, а объект в состоянии покоя будет стремиться оставаться в состоянии покоя, если на него не действует сила. Пример. Тело игрока, быстро бегущего по полю, будет стремиться сохранить это движение, если только мускульные силы не смогут преодолеть эту инерцию [10] или фигурист, скользящий по льду, продолжит скользить с той же скоростью и в том же направлении при отсутствии действия внешней силы [11].
2. Закон ускорения. Второй закон Ньютона точно указывает, какое количество движения создает сила. Ускорение (тенденция объекта к изменению скорости или направления), которое испытывает объект, пропорционально величине силы и обратно пропорционально массе объекта (F = ma). Пример. Когда мяч брошен, по нему нанесен удар ногой или каким-либо предметом, он имеет тенденцию перемещаться в направлении линии действия приложенной силы. Точно так же, чем больше приложенная сила, тем выше скорость мяча [11]. Если игрок увеличивает силу ног тренировками, сохраняя при этом ту же массу тела, его  способность ускорять тело с помощью ног будет выше, что приведет к большей ловкости и скорости. Это также относится к возможности вращать сегменты, как упоминалось выше [10].
3. Закон противодействия. Третий закон гласит, что каждому действию (силе) есть равное и противоположное противодействие. Это означает, что силы действуют не в одиночку, а в равных и противоположных парах между взаимодействующими телами. Пример. Сила, создаваемая ногами, «толкающими» землю, порождает силу реакции земли, с которой земля «отталкивается» и позволяет игроку перемещаться по площадке (поскольку Земля намного массивнее игрока, игрок ускоряется и быстро движется, в то время как Земля на самом деле не ускоряется и не движется вообще). Такое действие-противодействие также возникает при столкновении с мячом, поскольку сила, приложенная к мячу, соответствует  равной и противоположной силе, прилагаемой к ракетке / телу. [10]

Импульс

Второй закон Ньютона также связан с переменным импульсом, который является произведением скорости на массу объекта. Импульс - это, по сути, количество движения, которым обладает объект [11]. Импульс может передаваться от одного объекта к другому. Существуют разные типы импульсов, каждый из которых по-разному влияет на спорт.

Линейный импульс

Линейный импульс - это импульс по прямой линии, например, линейный импульс создается, когда спортсмен бежит по прямой на 100 м по трассе.

Угловой момент

Угловой момент - это вращательный момент, который создается вращением различных сегментов тела, например, при ударе справа из открытой стойки возникает значительный угловой момент. Огромное увеличение использования углового момента при ударах с отскока и при подаче оказало значительное влияние на игру в теннис. Одна из основных причин увеличения мощи игры сегодня - это включение углового момента в техники ударов с отскока и подачи. В теннисе угловой момент, развиваемый скоординированным действием сегментов тела, передается линейному импульсу ракетки при ударе.

Центр тяжести

Общий центр тяжести (ОЦТ)человека - это воображаемая точка, вокруг которой равномерно распределяется вес тела. Положение центра тяжести человеческого тела может значительно изменяться, потому что сегменты тела могут перемещать свои массы при совместном вращении. Эта концепция имеет решающее значение для понимания баланса и стабильности, а также того, как сила тяжести влияет на спортивные приемы [10] [12].

Направление силы тяжести - через тело  вниз, к центру земли и через центр тяжести. Важно понимать и визуализировать эту вертикаль центра тяжести при определении способности человека успешно поддерживать равновесие. Когда вертикаль центра  тяжести выходит за пределы площади опоры , требуется реакция, чтобы оставаться в равновесии.

Найти центр тяжести ракетки для сквоша гораздо проще, обычно это можно сделать, определив точку, в которой ракетка балансирует на вашем пальце или другом узком предмете [10].

Равновесие

Равновесие  - это способность игрока контролировать свое сбалансированное состояние или устойчивость [13]. Необходимо хорошее понимание статического и динамического баланса:

Статическое равновесие

Способность управлять телом, когда оно неподвижно. Это способность удерживать тело в фиксированной позе [14]. Статическое равновесие - это способность сохранять позную устойчивость и ориентацию с центром масс над опорой и телом в состоянии покоя [15].

Динамическое равновесие

Умение управлять телом во время движения. Определение динамической устойчивости позы является более сложной задачей. Динамическое равновесие - это способность переносить вертикальную проекцию центра тяжести вокруг опорной базы поддержки [16]. Динамическое равновесие - это способность сохранять устойчивость позы и ориентацию с центром масс над опорой, когда части тела находятся в движении [15].

Правильная биомеханика

Как упоминалось выше, правильная биомеханика обеспечивает эффективное движение и может снизить риск травм. В спорте всегда полезно рассматривать аномальную или неправильную биомеханику как возможную причину травмы. Эти аномальные биомеханические характеристики могут быть вызваны анатомическими или функциональными нарушениями [2]. Анатомические аномалии, такие как несоответствие длины ног, не могут быть изменены, но  можно устранить их побочные эффекты, например,  увеличением толщины подошвы обуви или благодаря применению ортопедических приспособлений. Возможные функциональные нарушения-  мышечный дисбаланс после длительного периода иммобилизации [2].

В биомеханике часто упоминаются разные плоскости движения и оси. Посмотрите это видео, чтобы вспомнить их.

[17]

Неправильная техника может вызвать аномальную биомеханику, что может привести к травмам. Ниже приведены некоторые примеры взаимосвязи между неправильной техникой и сопутствующими травмами.

Биомеханика нижних конечностей

Для человеческого организма  ходьба - основной способ передвижения, то есть мы ходим прямо и очень зависим от своих ног при движении. То, как ступня ударяется о землю, и косвенное влияние, оказываемое при этом на нижние конечности до колена, бедра, таза и поясницы, в частности, в последние годы стало предметом многочисленных споров и разногласий.

Биомеханика нижних конечностей включает  сложное взаимодействие между суставами, мышцами и нервной системой, которое приводит к определенному паттерну движений, часто называемому «согласованием». Большая часть дебатов была сосредоточена на вопросе о том, что считается «нормальным» и что считается «ненормальным» с точки зрения биомеханики, а также того, в какой степени мы должны вмешиваться, если при оценке будут обнаружены отклонения от нормы. В этом разделе исследуется биомеханика нижней конечности, в частности анатомия и биомеханика стопы и голеностопного сустава, влияние угла Q на механику бедра и колена и, наконец, влияние этого на походку. [2]

Биомеханика стопы и голеностопного сустава

Стопа и голеностоп образуют сложную систему, состоящую из 26 костей, 33 суставов и более 100 мышц, сухожилий и связок. Она функционирует как жесткая конструкция для весовой нагрузки, а также может функционировать как гибкая конструкция для работы на неровной поверхности.

Стопа и голеностопный сустав выполняют различные важные функции, в том числе: поддержание веса тела, обеспечение равновесия, амортизацию, передачу сил реакции опоры, компенсацию проксимального смещения и замену функции руки у людей с ампутацией / параличом верхней конечности,  любые функции, являющиеся ключевыми для выполнения упражнений или занятий спортом, затрагивающим нижние конечности [24]. На этой странице Physiopedia подробно рассматривается биомеханика стопы и голеностопного сустава и ее роль в передвижении: Биомеханика стопы и голеностопного сустава.

Q угол (угол квадрицепса)

Понимание нормальных анатомических и биомеханических особенностей пателлофеморального сустава необходимо для любой оценки функции колена. Угол Q, образованный вектором комбинированного натяжения четырехглавой мышцы бедра и сухожилия надколенника, важен из-за поперечного натяжения, которое он вызывает в надколеннике [25].

Направление и величина силы, создаваемой четырехглавой мышцей, оказывает большое влияние на биомеханику пателлофеморального сустава. Силовая линия четырехглавой мышцы направлена попрек линии сустава, в основном,  из-за большой площади поперечного сечения и силового потенциала латеральной широкой мышцы бедра. Поскольку существует связь между пателлофеморальной патологией и чрезмерным боковым трекингом надколенника, оценка общей поперечной линии натяжения четырехглавой мышцы относительно надколенника является значимой клинической мерой. Такая мера называется углом четырехглавой мышцы или углом Q. Первоначально он был описан Браттстремом (Brattstrom) [26]. Подробнее о Q-угле здесь: Угол Q.

Биомеханика походки

Сандра Дж. Шульц (Sandra J. Shultz) [27] описывает походку так: «...манера передвижения или локомоции человека  включает в себя все тело. Скорость походки определяет вклад каждого сегмента тела. Нормальную скорость ходьбы в первую очередь обеспечивают нижние конечности, а руки и туловище отвечают за устойчивость и равновесие. Чем выше скорость, тем больше тело зависит от верхних конечностей и туловища для сообщения движения, а также сохранения равновесия и устойчивости. Ноги продолжают выполнять большую часть работы, поскольку суставы производят больший диапазон движений за счет большей мышечной реакции. В системе прямохождения  три основных сустава нижней части тела и таза работают друг с другом, по мере того как мышцы и инерция двигают тело вперед. Степень смещения центра тяжести тела во время поступательного движения определяет его эффективность. При ходьбе центр тела перемещается из стороны в сторону, а также вверх и вниз». Прямохождение - важная характеристика человека. [27] На этой странице Physiopedia представлена ​​информация о различных фазах цикла походки и важных функциях стопы во время ходьбы:  Походка

Биомеханика верхних конечностей

Правильная биомеханика так же важна для деятельности как верхних конечностей, так и нижних конечностей. Верхние конечности характеризуются  разнообразными и впечатляющими способностями. Обладая одинаковой  базовой анатомической структурой руки, предплечья, кисти и пальцев, бейсбольные питчеры высшей лиги бросают мяч со скоростью 40 м / с, пловцы пересекают Ла-Манш, гимнасты выполняют упражнение «крест», а боксеры-олимпийцы в весовых категориях от наилегчайшего до супертяжелого продемонстрировали диапазон максимальной ударной силы от 447 до 1066 фунтов.

Структура верхней конечности включает  плечевой пояс и собственно верхнюю конечность. Плечевой пояс состоит из лопатки и ключицы, а верхняя конечность состоит из плеча, предплечья, запястья, кисти и пальцев. Однако кинематическая цепочка простирается от шейного и верхнегрудного отделов позвоночника до кончиков пальцев. Только когда несколько определенных сегментов полностью закреплены, эти части могут функционировать независимо в механических ролях.

В этом разделе рассматриваются анатомические структуры, обеспечивающие различные типы движений, и изучается биомеханика или способы взаимодействия мышц для достижения разнообразия движений, на которые способна верхняя конечность.

Лопаточно-плечевой ритм

Лопаточно-плечевой ритм (также называемый гленогумеральным ритмом) - это кинематическое взаимодействие между лопаткой и плечевой костью, впервые описанное Кодманом  (Codman )в 1930-х годах [28]. Это взаимодействие важно для оптимальной функции плеча [29]. Когда происходит изменение нормального положения лопатки относительно плечевой кости, это может вызвать нарушение лопатно-плечевого ритма. Изменение нормального положения также называют дискинезией лопатки. Различные исследования механизма плечевого сустава, которые пытались описать способность плеча к глобальным движениям, ссылаются на это описание. Можете ли вы оценить плечо, чтобы убедиться в правильности его функции, и объяснить сложные взаимодействия между компонентами, участвующими в размещении руки в пространстве? Узнайте больше о лопаточно-плечевом ритме: Лопаточно-плечевой ритм

Биомеханика в конкретных видах спорта

Биомеханика бега

Бег похож на ходьбу с точки зрения двигательной активности. Однако есть ключевые отличия. Если человек может  ходить, это не обязательно  означает, что он может бегать [30]. Есть некоторые различия между циклом походки и циклом бега - цикл походки на треть длиннее по времени, сила реакции опоры меньше в цикле походки (поэтому нагрузка ниже), а скорость намного выше. В беге также есть только одна фаза опоры, а при передвижении шагами - две. Поглощение ударов в беге также намного больше по сравнению с ходьбой. Это объясняет, почему у бегунов больше травм от перегрузки [31].

Для бега требуется:

• Большее равновесие
• Большая мышечная сила
• Больший диапазон движений суставов [31]

Подробнее о биомеханике бега см.: Биомеханика бега

Биомеханика велоспорта

Велосипед был изобретен бароном Карлом фон Дрейсом (Carl von Drais ) в 1817 году, но не в том виде, в каком мы его знаем. Это была машина, изначально имевшая два колеса, соединенных деревянной доской с рулевым устройством. Катание на нем требовало, чтобы  человек сидя бежал по земле; поэтому ему дали название «беговая машина» (во всех смыслах), или велосипед. Вначале, после его изобретения он использовался исключительно мужским населением. В 1860-х годах велосипед претерпел огромные конструктивные  изменения на фабрике Michaux в Париже. К переднему колесу были добавлены  рычаги управления, которые приводились в движение ножными педалями. Это был первый стандартный велосипед, и с тех пор и до настоящего времени дизайн и технологии изготовления велосипеда продвинулись далеко вперед. [32].

Опрос, проведенный в 2014 году, показал, что более 43% населения Соединенного Королевства имеют велосипед или доступ к нему, а 8% населения в возрасте 5 лет и старше ездят на велосипеде 3 или более раз в неделю. При таком большом количестве людей, пользующихся велосипедом с профессиональной, развлекательной целью или для поездки на работу, вероятность получения травм возрастает, поэтому пришло время разобраться в биомеханике езды на велосипеде [33].

Подробнее: Биомеханика велоспорта

Биомеханика подачи мяча в бейсболе

Подача в бейсболе - одно из наиболее активно изучаемых спортивных движений [24]. Хотя основное внимание уделялось движению плеч, для выполнения бейсбольной подачи требуется движение всего тела. Бросок также считается одним из самых быстрых движений человека, а максимальная скорость внутреннего вращения плеча достигает от 7000 до 7500 об / сек. [34].

Подробнее о биомеханике метания: Биомеханика метания

Биомеханика игры в теннис

Биомеханика тенниса - очень сложная задача. Подумайте о том, как ударить по теннисному мячу. Во-первых, спортсмену нужно увидеть, как мяч отрывается от ракетки соперника. Затем, по порядку, он должен оценить скорость, вращение, траекторию и, самое главное, направление движения теннисного мяча. Затем игроку необходимо быстро изменить положение тела, чтобы перемещаться к мячу. Когда игрок готовится к удару по мячу, тело находится в движении, мяч движется как в линейном, так и во вращательном направлении, удар был с подкруткой, и ракетка также находится в движении. Игрок должен координировать все эти движения примерно за полсекунды и ударить по мячу как можно ближе к центру ракетки, чтобы придать желаемое вращение, скорость и направление для возврата мяча. Просчет в любом из этих движений может привести к ошибке [35].

Международная федерация тенниса (ITF) предоставляет подробные ресурсы по биомеханике тенниса, включая ряд презентаций ниже:

• Биомеханика тенниса: Введение
• Биомеханические принципы игры в теннис
• Биомеханика удара справа

Эти статьи предоставляют более подробную информацию о биомеханике подачи и удара с отскока, а также рассматривают ее значение для силовых тренировок и реабилитации:

• Биомеханика теннисной подачи в отношении скорости мяча и травм суставов верхних конечностей
• Биомеханика теннисных ударов с отскока: значение для силовых тренировок