Законы сохранения. Биомеханика

Законы сохранения в механике. БИОМЕХАНИКА.

БИОМЕХАНИКА

наука о законах механического движения в живых системах

Любой вид спорта сопряжен с преодолением спортсменом сил трения, тяготения и других сил физической природы. Чтобы свести к минимуму паразитную или вредную часть этих сил тренер должен разбираться в физике. Кроме того, движение крови в организме также подчиняется физическим законам. При изучении характера таких движений и возникла наука, которую принято называть « биомеханика».

Биомеханика (греч. bios – жизнь и mechanike – наука о машинах) – это раздел биофизики, в котором изучаются механические свойства тканей, органов и систем живого организма и механические явления, сопровождающие процессы жизнедеятельности

Механика – раздел физики, изучающий механическое движение. Законы механики могут быть использованы и для изучения движений человека

• Непосредственным исполнителем функции движения человека является двигательный аппарат, состоящий из костей скелета, связок и мышц с их иннервацией
• С механической точки зрения двигательный аппарат совмещает в себе рабочую машину и машину – двигатель
• Биомеханика изучает двигательный аппарат, как рабочую машину

Биомеханика, как наука

Биомеханика, как наука изучает активные движения животных и человека с точки зрения законов механики, исходя из анатомо – физиологических особенностей живого организма

Задачи биомеханики:

Дать описание движениям

Выявить действующие при движениях силы, их природу, условия их действия и их эффективность

Биомеханика, как наука

Метод биомеханики - это системный анализ и синтез движений на основе количественных характеристик, в частности кибернетическое моделирование движений

Биомеханика – наука экспериментальная и опирается на опытное изучение движений. При помощи приборов регистрируются количественные характеристики (траектории, скорости, ускорения и др.), позволяющие различать движения и сравнивать их между собой. Рассматривая характеристики мысленно расчленяют систему движения на составные части – устанавливают её состав. В этом проявляется системный анализ

Биомеханика, как наука

Система движений – это единое целое.

Части системы объединены многочисленными взаимосвязями

Системный синтез – представление этих взаимосвязей, как единое целое

Современный метод – моделирование (построение управляемых моделей движений и моделей тела человека)

Обмен веществ и превращение энергии

Метаболизм=

обмен веществ и превращение энергии-

совокупность биохимических реакций, протекающих в клетке и обеспечивающих ее жизнедеятельность

Анаболизм = ассимиляция = пластический обмен

(греч. anabolē — подъём), или ассимиляция (лат. assimilatio — слияние, усвоение), — процессы синтеза сложных органических веществ, свойственных организму, из более простых, сопровождаются поглощением энергии.

Источник энергии

Автотрофы Гетеротрофы

Катаболизм = диссимиляция = энергетический обмен

(греч. katabole — разрушение), или диссимиляция (лат. dissimilatio — разложение, отчуждение), — процессы расщепления органических веществ до более простых, которые протекают с выделением энергии.

Энергия запасается

в виде АТФ

Молекула АТФ очень энергоёмка. Она является универсальным переносчиком и накопителем энергии. Энергия заключена в связях между тремя остатками фосфорной кислоты.

Отделение от АТФ одного концевого фосфата (Ф) сопровождается выделением 40 кДж на 1 моль , тогда как при разрыве химических связей других соединений выделяется 12 кДж. Образовавшаяся при этом молекула аденозиндифосфата (АДФ) с двумя фосфатными остатками может быстро восстановиться до АТФ или, при необходимости отдав еще один концевой фосфат, превратиться в аденозинмонофосфат (АМФ) .

Катаболизм обеспечивает все процессы жизнедеятельности энергией, поэтому его и называют энергетическим обменом .

метаболизм

Закон сохранения Е: энергия не возникает и не исчезает, она только видоизменяется

Химическая Е

(химические связи органических веществ пищи)

Химическая (синтез АТФ, белков, жиров, углеводов)

Электрическая (передача информации по нервным волокнам с помощью импульса)

Механическая (сокращение скелетных мышц, сердца, диафрагмы)

Тепловая (поддержание постоянной температуры тела)

Этапы энергетического обмена

1 – подготовительный

Происходит в пищеварительной системе и

лизосомах клеток

( у одноклеточных) под действием ферментов

небольшое количество выделяющейся энергии рассеивается в виде тепла

Этапы энергетического обмена

2- бескислородный = (гликолиз)

Происходит в цитоплазме под действием ферментов

Глюкоза пировиноградная к-та

С 6 Н 12 О 6 2С 3 Н 6 О 3

ПВК Молочная кислота + Е

Молочная кислота накапливается в мышцах, вызывает усталость, боль после нагрузок

фермент

фермент

60% - тепло

40% - на

2 АТФ

Суммарное уравнение гликолиза:

Этапы энергетического обмена

3- кислородный (дыхание)

• Происходит в матриксе митохондрий
• Присущ только аэробам
• Открыт в1937 г. – англ. биохимик Х.Кребс
• Атомы водорода попадают на внутренние мембраны митохондрий, где с их

помощью происходит восстановление АТФ

Суммарное уравнение кислородного этапа (цикл Кребса)

2C 3 H603 + 6O2 + 36АДФ + 36 H3P04 = 6CO2 + 42H 2 O + 36АТФ.

Суммарное уравнение

ИЗУЧЕНИЕ ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

биохимия физиология

РАБОТА ОДА

взаимодействие мышцы и костных рычагов

ВИДЫ РЫЧАГОВ

РЫЧАГ ПЕРВОГО РОДА  

РЫЧАГ ТРЕТЬЕГО РОДА  

РЫЧАГ ВТОРОГО РОДА

ВИДЫ МЫШЕЧНОЙ РАБОТЫ

статическая работа сохраняет вертикальное положение тела или определенную позу

динамическая работа совершается в результате несоответствия мышечных и механических сил

Биомеханические

свойства мышц

Скелетные мышцы являются основным источником механической энергии человеческого тела. Их можно сравнить с двигателем. Что приводит их в действие и какие свойства они при этом проявляю?

К этим свойствам относятся: сократимость , упругость, прочность , релаксация.

Сократимость- это способность мышц сокращаться при возбуждении . В результате сокращения происходит укорочение мышц и возникает сила тяги.

После устранения деформирующей силы мышца может

Восстанавливать первоначальную длину.

УПРУГОСТЬ- способность мышц восстанавливать первоначальную длину после растяжения. При растягивании в мышце возникает энергия упругой деформации. Чем сильнее растянута мышца , тем больше энергии в ней запасено.

По закону Гука для мышцы ее удлинение нелинейно зависит от величины силы её растягивающей.( рис.1)

Эта кривая называется «сила – длина ». Она описывает закономерности мышечного сокращения.

Рис.1

Связь между силой и скоростью мышечного сокращения

Мышцы функционируют в изометрическом и анизометрическом режимах.

При изометрическом режиме длина мышцы не изменяется.

При анизометрическом режиме мышца укорачивается или удлиняется.

На кривой А . Хилла изометрическому режиму соответствует сила

КРИВАЯ А. ХИЛЛА –

(рис.2)

ЖЕСТКОСТЬ - способность противодействовать прикладываемым силам . Коэффициент жесткости определяется как отношение приращение восстанавливающей силы к приращению длины мышцы под действием внешней силы.

ПОДАТЛИВОСТЬ- величина обратная жесткости.

ПРОЧНОСТЬ- оценивается величиной растягивающей силы , при которой происходит разрыв мышцы. Сухожилия рвется быстрее, чем мышца, так как при быстрых движениях мышца успевает амортизировать , а сухожилие нет.

Релаксация- свойство мышцы , проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине . Релаксация проявляется при спрыгивании и прыжке вверх, если во время глубокого подседа делать паузу.

Чем длительнее пауза , тем сила отталкивания и высота выпрыгивания меньше.

Механические

свойства костей

Определяются их разнообразными функциями.

Кроме двигательной они выполняют защитную и опорную. Кости черепа, грудной клетки и таза защищают внутренние органы . Опорную функцию выполняют кости конечностей и позвоночника. Различают четыре вида воздействия на кости: растяжение, сжатие , изгиб и кручение.

При движении кости не только растягиваются, сжимаются и изгибаются ,но и скручиваются.

ВЕС

НЕВЕСОМОСТЬ

ПЕРЕГРУЗКА

Вес тела - сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес вследствие притяжения к Земле

Невесомость .

Явление исчезновения веса в следствии свободного падения под действием силы тяжести

Р = 0

Вес тела при движении с ускорение вниз и по выпуклой траектории.

а

P = m ∙ (g ˗ a ц )

P = m ∙ (g ˗ a)

Перегрузка

Явление увеличения веса тела в следствии ускоренного движения по вертикали вверх или при движении по вогнутой траектории.

P = m ∙ (g + a)

P = m ∙ (g + a ц )

Перегрузка 8 g

Невесомость

P = m ∙ (g + a)

P ˃ P

Перегрузка .

Вес тела

Сила тяжести

Приложен к подвесу или опоре, на которое тело давит

Приложена к центру тела

Направлен перпендикулярно поверхности

Направлена к центру Земли

Всякий раз, запинаясь и падая, мы проклинаем гравитацию, но в состоянии невесомости человеку тоже приходится несладко. Её воздействие на человека очень существенно.

Одна из интересных особенностей воздействия невесомости на организм человека - это увеличение роста. Из-за невесомости ослабевают мышцы, обеспечивающие плотное прилегание позвонков друг к другу, мышечный корсет постепенно атрофируется, позвоночный столб теряет свои естественные изгибы. Чтобы минимализировать эти эффекты, космонавты во время пребывания на космической станции одеты в специальные костюмы «Пингвин», которые тонизируют мышцы и специальными встроенными амортизаторами создают нагрузку на опорно-двигательный аппарат.

Профилактический нагрузочный костюм "ПИНГВИН - 3"

В среднем космонавты вырастают за время работы в космосе на 3-5 см. Это создает определенные сложности.

Дело в том, что для возвращения космонавтов на Землю в посадочной капсуле устанавливает ложемент, который отливается для каждого космонавта индивидуально, с подгонкой до миллиметра. Несоответствие размеров ложемента росту космонавта может угрожать его безопасности. В интервью «Российской газете» Валерий Богомолов рассказывал о том, как в спешном порядке однажды пришлось убирать лишний рост бортинженеру МКС-30 Анатолию Иванишину. И это не единичный случай.

Влияет невесомость и на процессы старения организма. Исследование, опубликованное в журнале The FASEB в августе прошлого года показали, что ускоренное старение в условиях невесомости связано даже не с процессами, происходящими с опорно-двигательным аппаратом, а с эндотелиальными клетками, которые выстилают изнутри все сосуды человека. Всё это прямым образом влияет на сердечно-сосудистую систему человека. Главный редактор журнала The FASEB Геральд Вейсманн сказал, что человек эволюционировал в условиях гравитации, которая использовалась для регулирования биологических процессов. Без гравитации, подчеркнул Вайсманн, ткани теряются и быстро стареют.

Невесомость губительным образом влияет на состояние костей человека, кости теряют кальций и постепенно разрушаются. За один месяц пребывания в невесомости костная масса у космонавтом может снизиться на 1-2 %. Это происходит из-за нарушения фосфорного обмена, а также из-за того, что организму нет необходимости поддерживать тело и он почти перестает вырабатывать костный материал. Этот синдром получил название космической остеопатии.

Необходимо сказать и о том, что избыток кальция в крови может негативно сказываться на почках. К счастью, при возвращении на Землю космонавты снова набирают костную массу, но долгое пребывание в невесомости может сказаться на здоровье человека самым фатальным образом. Так, за время трехлетнего путешествия на Марс, космонавт может потерять до 50% костной массы, вернуться на Землю и восстановиться он больше не сможет.

Круглое сердце Коль идет речь об атрофии мышц в космосе, то необходимо сказать и о главной мышце организма - сердце. Тем более, что не так давно НАСА провело исследование, давшее очень интересные результаты. Оказалось, что сердце не только ослабевает и уменьшается в объемах, но и... округляется. Во время проведения исследования, кардиологи НАСА изучали сердца 12 космонавтов, работавших на МКС. Анализ снимков показал, что в условиях невесомости сердце округляется на 9,4 %.

Анализ снимков показал, что в условиях невесомости сердце округляется на 9,4 %.

Впрочем, при возвращении на Землю сердце в течение полугода возвращает свою обычную форму и возобновляет «земную» активность. Чтобы представить снижение активности работы сердца, достаточно сказать, что полуторомесячное лежание на кровати равнозначно недельной работе в условиях невесомости.

Спасибо за внимание