БИОМЕХАНИКА

БИОМЕХАНИКА (греч. bios жизнь + mechane орудие, машина) — раздел биофизики, изучающий механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также физические явления, происходящие в них в процессе жизнедеятельности и перемещения тела в пространстве. Термином «биомеханика» ранее называли также раздел эмбриологии — механику развития (см. Эмбриология). Опираясь на данные анатомии и используя методы теоретической и прикладной механики, Б. исследует деформации структурных элементов тела, движение жидкостей и газов в живом организме, перемещения звеньев тела относительно друг друга и всего тела в пространстве, устойчивость и управляемость движений и другие вопросы, доступные методам механики.

Б. движений исследует структуру опорно-двигательного аппарата (характер подвижных сочленений, число степеней свободы), кинематику движений (скорость, ускорения, траектории), динамику движений — картину действующих сил. Чаще всего задача биомеханического исследования состоит в том, чтобы по кинематическим характеристикам движения определить картину действующих сил.

Современная Б. не ограничивается анализом движений. Сфера приложений Б. расширяется, и сейчас она включает в себя изучение дыхательной системы, системы кровообращения, специализированных рецепторов и т. п.

Б. дыхательного аппарата изучает кинематику и динамику дыхательных движений, сопротивление дыханию, обусловленное трением воздуха при движении по гортани, трахее и бронхам (неэластическое сопротивление), сопротивление, связанное с упругостью грудной клетки, эластичностью тканей легких, а также поверхностным натяжением жидкости, тонким слоем покрывающим альвеолы (эластическое сопротивление). Б. кровообращения изучает реологические свойства крови, сосудистой стенки и периваскулярных тканей, особенности тока крови в ветвящихся сосудах, в сосудах малого диаметра и капиллярах, гидродинамические явления в полостях сердца и магистральных сосудах, возникновение акустических колебаний в сердечно-сосудистой системе, вопросы теплообмена и др.

История. Начало исследованиям по Б. было положено Леонардо да Винчи, который проявлял большой интерес к различным видам движения человека и животных. Изучая полет птиц и движения человека, работу скелетных мышц и сердца, механику дыхания и голосообразования, он считал, что функционирование ряда систем организма подчинено законам механики.

Значительное влияние на развитие Б. оказали труды Дж. Борелли; в книге «О движении животных» он дает анализ различных движений тела при ходьбе, беге, плавании с позиций механики. Борелли впервые определил положение центра тяжести тела человека. Экспериментальное исследование ходьбы было проведено братьями Вебер (Е. и W. Weber, 1836). Они определили отношение продолжительности и длины шага, амплитуду вертикальных перемещений тела при ходьбе, изменения функциональной длины конечности при ходьбе и др. Изобретение моментальной фотографии и кинематографии способствовало бурному расцвету Б. движений в Германии [Аншютц (Anschutz)], Франции (Э. Марей) и Америке [Майбридж (Е. Muybridge)]. Существенные результаты по биодинамике локомоций были получены нем. учеными Брауне и Фишером (Cii. W. Braune, О. Fischer), Эльфтманом (H. Elftnian).

В России начало изучения вопросов Б. положено работами И. М. Сеченова π П. Ф. Лесгафта. В «Очерках рабочих движений человека» (1901) И. М. Сеченов дал сводку важнейших биомеханических характеристик движений человека; разработка проблем теоретической анатомии опорно-двигательного аппарата проводилась П. Ф. Лесгафтом с привлечением данных сравнительной анатомии и механики. В СССР в 20—30-е годы вопросами прикладной Б. (с целью рационализации рабочего места, форм инструментов, приемов работы, рабочей позы и т. д.) занимался ряд институтов (Центральный ин-т труда. Всесоюзный ин-т экономики, Центральный ин-т труда инвалидов). С 1924 г. в Ленинградском ун-те А. А. Ухтомский начал читать курс физиологии двигательного аппарата, куда был включен раздел Б. В книге «Физиология двигательного аппарата» (1927) он изложил обширный материал по Б. мышц, суставов и координации движений. В качестве вводного курса в ортопедию Б. читал в Ростовском мед. ин-те Н. В. Парийский.

Значительный вклад в развитие Б. внес Н. А. Бернштейн, значительно усовершенствовавший методы регистрации и анализа движений (кимоциклография, циклограмметрия), проведший биодинамический анализ ходьбы здоровых людей, ее эволюцию у детей и стариков, бега, прыжков, марша и т. д. В 1938 г. В. А. Энгельгардтом и М. Н. Любимовой впервые продемонстрировано наличие связи между механическими и хим. процессами. В наст, время Б. преподается в Ин-те физической культуры. Существует международное общество биомеха-ников; проводятся Международные конгрессы по Б. С 1968 г. издается международный журнал «Biomechanics».

Методы биомеханических исследований включают различные приемы регистрации положения и движения тела, измерений силы групп мышц, моментов инерции звеньев тела и др. Для изучения положения тела существуют приборы, позволяющие определять положение общего центра тяжести по отношению к поверхности опоры, величину опорного контура, степень устойчивости тела в пространстве. Для регистрации движений используются различные варианты световой записи. Циклография (см.) заключается в регистрации на неподвижной фотопластинке нескольких избранных точек движущегося тела. Для регистрации движений, траектории которых могут накладываться друг на друга (напр., циклические движения), применяют кимоциклографию (см.) — регистрацию движений на равномерно движущейся пленке. Система обработки циклограмм (циклограмметрия) позволяет по циклограмме определить амплитуду движения, скорости и ускорения. Большое распространение получили методы электрической регистрации биомеханических параметров движения. С помощью различных датчиков можно непосредственно регистрировать кривые движения в суставах, составляющие опорных реакций и точку приложения их равнодействующей, линейные и угловые скорости и ускорения и др. При изучении рабочих движений человека используют специальные насадки к рабочему инструменту с датчиками, позволяющими регистрировать величину прилагаемых мышечных моментов в различных плоскостях, силу удара и т. п. При электрической регистрации параметров движения возможен их непосредственный ввод в ЭВМ. Это дает возможность получения в реальном масштабе времени таких важнейших показателей движения, как моменты сил, действующих в суставе, работа и мощность.

Значение биомеханики для медицины

Результаты биомеханических исследований представляют интерес для физиологии и клинической медицины. На основе этих исследований могут быть составлены биомеханические характеристики органов и систем организма, знание которых является важнейшей предпосылкой для изучения процессов регуляции. Значительный интерес представляет Б. для протезирования, являясь основой конструирования протезно-ортопедических изделий. Многие характеристики опорно-двигательного аппарата используются при проектировании других технических систем (см. Бионика). Ряд биомеханических показателей состояния кровообращения (напр., баллистокардиография, динамокардиография) и дыхания играет роль важных количественных показателей в диагностике, в определении показаний и противопоказаний к операциям на сердце и легких. Исследования Б. дыхания и кровообращения использованы при создании аппарата «сердце — легкие». Характеристики прочности костей, суставов и связок, упруго-вязких свойств мышц и других тканей представляют значительный интерес для травматологии и ортопедии, для понимания механизмов действия повреждающих факторов и предупреждения травм. Изучение Б. спортивных движений и физических упражнений раскрывает основы мастерства и помогает разработке научно обоснованной системы тренировок.

Изучение Б. трудовых процессов позволяет оценить экономичность разных вариантов движений и совершенствовать их структуру.

Важной проблемой Б. является изучение биомеханических свойств тканей, то есть свойств органов и тканей человека и животных, проявляющихся при различных видах механического воздействия. Некоторые данные о биомеханических свойствах тканей стали достоянием практической медицины, их используют в протезировании, травматологии, для определения оптимальных нагрузок у спортсменов.

Библиография: Александер Р. Биомеханика, пер. с англ., М., 1970, библиогр.; Бернштейн Н. А. Общая биомеханика, М., 1926, библиогр.; о н ж е, О построении движений, М., 1947; он же, Очерки по физиологии движений и физиологии активности, М., 1966, библиогр.; Исследования по биодинамике локомоций, под ред. Н. А. Бернштейна, М.— JI., 1935; Исследования по биодинамике ходьбы, бега, прыжка, под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1940, библиогр.; Николаев JI. П. Руководство по биомеханике в применении к ортопедии, травматологии и протезированию, ч. 1—2, Киев, 1947—1950, библиогр.; Сеченов И. М. Очерки рабочих движений человека, М., 1901; Burton А. С. Physiologie und Biophysik des Kreislaufs, В., 1969, Bibliogr.; Frost Η. M. An introduction to biomechanics, Springfield, 1967; Pulsatile blood flow, ed. by E. O. Atinger, N. Y., 1964, bibliogr.; Y a m a d a H. Strength of biological materials, Baltimore, 1970.

Биомеханические свойства тканей — Аникин Ю. М. Физико-механические свойства позвонков человека, Учен. зап. Моск. обл. пед. ин-та, т. 273 — Зоология, в. 8, с. 12, 1970, библиогр.; Лeсгафт П. Ф. Основы теоретической анатомии, ч. 1, Спб., 1892; О б ы с о в А. С. Надежность биологических тканей, М., 1971, библиогр.; Evans F. G., L i s-s n e r H. R. a. Pedersen H. E. Deformation studies of the femur under dynamic vertical loading, Anat. Rec., v. 101, p- 225, 1948, bibliogr.; Trie-p e 1 H. Ober gelbes Bindegewebe, Anat. Anz., Bd 15, S. 300, 1898.

В. С. Гурфинкель.