БИОМЕХАНИКА
(от био... и
механика),
раздел биофизики, изучающий меха-нич. свойства живых тканей,
органов и организма в целом, а также происходящие в них механич. явления.
Термином "Б." ранее также наз. отрасль эмбриологии - механику развития,
чаще называемую экспериментальной эмбриологией. Обычно термин
"Б." применяют к учению о движениях человека и животных. Однако
в сер. 20 в. границы исследований по Б. расширились: Б. дыхательного аппарата
(см. Дыхание) изучает его эластич. и неэластич. сопротивление, кинематику
(т. е. геометрич. характеристику движения) и динамику дыхат. движений,
а также др. стороны деятельности дыхат. аппарата в целом и его частей (лёгких,
грудной клетки); Б. кровообращения изучает упругие свойства сосудов и сердца,
гидравлич. сопротивление сосудов току крови, распространение упругих колебаний
по сосудистой стенке, движение крови, работу сердца и др. (см. Гемодинамика);
Б. движений, основываясь на данных анатомии и теоретич. механики, исследует
структуру органов движения, характер приложения мышечных сил, вызывающих
движения в суставах, кинематику сочленений, распределение массы тела по
его звеньям, закономерности движения этих звеньев и тела в целом, определяет
характер, направление и значение действующих сил. Биомеханич. характеристика
движения составляется на основе данных структурного, кинематич. и динамич.
анализа. При структурном анализе определяют кол-во степеней свободы кинематич.
цепей тела, их характер (открытые, замкнутые); кинематич. анализ даёт характеристику
движения (траектории, скорости и ускорения); динамический - выявляет картину
взаимодействия внутр. и внеш. сил. Чаще всего задача биомеханич. исследования
сводится к определению картины действующих сил по кинематич. характеристикам
движения. Это позволяет оценить экономичность движения, степень использования
как внеш., так и мышечных сил и судить о механизмах координации и регуляции
движений. В этой части Б. тесно соприкасается с физиологией движений. Др.
задача биомеханич. исследования - изучение отд. положений тела (стояние,
сидение и др.). При этом определяют значения статич. моментов, положение
общего центра тяжести тела по отношению к опоре, степень устойчивости тела
в данном положении, т. е., по существу, устанавливают и характер взаимодействия
внутр. и внеш. сил. Решение таких задач также связано с физиологией, с
учением о положении и равновесии тела в пространстве.
В исследованиях по Б. используются разнообразные
методы регистрации перемещений, скоростей, ускорений изучаемых движений.
Наиболее употребительны оптич. методы: ускоренная киносъёмка, циклография,
кимоциклография
и др. С их помощью определяют пространств, перемещения тела, перемещения
его звеньев друг относительно друга, рассчитывают линейные и угловые скорости
и ускорения, действующие силы. Используются в Б. также методы электрич.
регистрации механич. величин с помощью механотронов,
датчиков угловых
перемещений, опорных динамографов.
История Б. Начало исследованиям по Б. было
положено итал. учёным Леонардо да Винчи, изучавшим движения человека
с позиций анатомии и механики. Значит, влияние на развитие Б. оказал итал.
натуралист Дж. Борелли, к-рый рассматривал организм как машину и стремился
объяснить дыхание, движение крови и работу мышц с позиций механики. В книге
"О движении животных" (1680-81) он даёт механич. анализ движений звеньев
тела человека и животных при ходьбе, беге, плавании. Экспериментальное
изучение ходьбы человека осуществили нем. учёные Э. и В. Веберы (1836),
В. Брауне и О. Фишер (1895), франц. учёный Э. Марей (1894), амер.-У. О.
Фенн (1935), X. Элфтмен (1938). Изучению механики живых тканей посвящены
работы амер. учёных Ф. Г. Эванса (1957), Г. Фроста (1964); Б. дыхания исследовал
амер. учёный Дж. Л. Клеменс (1965), гемодинамику изучали его соотечественники
Г. М. Тейлор (1953), Э. О. Эттингер (1964). Развитие Б. в России связано
с работами по теоретич. анатомии П. Ф. Лесгафта (1905) и книгой И. М. Сеченова
"Очерк рабочих движений человека" (1901), содержащей сводку важнейших биомеханич.
характеристик движений человека. Исследования по Б. носили вначале прикладной
характер и были направлены на рационализацию рабочего места, рабочей позы,
формы инструмента, приёмов работы. Они базировались на методике циклографии
и циклограмметрии. Детальные исследования локомоций человека были
осуществлены Н. А. Бернштейном и его сотрудниками. Проведён биодина-мич.
анализ ходьбы здоровых людей, её эволюции у детей и стариков, а также бега,
прыжков, марша.
Практич. значение. Исследования в области
Б. представляют существенный интерес для разных областей знаний: физиологии
труда и спорта, воен. и клинич. медицины, в т. ч. неврологии, ортопедии,
травматологии, протезирования. Так, изучение Б. физич. упражнений и спортивных
движений способствует раскрытию основ мастерства и разработке научно обоснованной
системы тренировки. Изучение рабочих движений человека даёт возможность
оценить экономичность того или иного варианта движений и совершенствовать
их структуру. Изучение прочности костей, суставов, связок, упруговязких
свойств мышц и др. тканей важно для травматологии и ортопедии, для понимания
механизмов действия повреждающих факторов и предупреждения травм.
Значит, интерес представляет Б. для протезирования,
являясь основой конструирования протезно-ортопедич. изделий. Мн. характеристики
опорно-двигат. аппарата используются при проектировании др. технич. систем
(см. Бионика).
Так, данные о структуре и механизмах управления
-"живыми кинематич. цепями" со мн. степенями свободы (напр., 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.
Ряд биомеханич. показателей состояния кровообращения
(см. Баллистокардиография, Динамокардиография) и дыхания учитывают
при диагностике и определении показаний к операциям на сердце и лёгких.
Исследования Б. дыхания и кровообращения использованы при создании аппарата
"сердце - лёгкие".
Лит.: Сеченов И. М., Очерк рабочих
движений человека, М., 1901; Лесгаф т П. Ф., Основы теоретической анатомии,
2 изд., ч. 1, СПБ, 1905; Б е р н-ш т е и н Н. А., Общая биомеханика, М.,
1926 (имеется библ.); Исследования по биодинамике локомоций, под ред. Н.
А. Бернштейна, М.- Л., 1935; Исследования по биодинамике ходьбы, бега,
прыжка, под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1940; Николаев Л. П., Руководство
по биомеханике в применении к ортопедии, травматологии и протезированию,
[ч. 1-2], К., 1947-50; Лёгкие. Клиническая физиология и функциональные
пробы, пер. с англ., М., 1961; Weber W., Weber Ed., Mechanik der menschlichen
Gehwerkzeuge, Gott., 1836; Pulsatile blood flow, ed. E. O. Attinger, N.
Y., 1964; Burton A. C., Physiology and biophysics of the circulation, Chi.,
1965; Frost Н. М., An introduction to biomechanics, Springfield (111.),
1967. В. С. Гурфинкелъ.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я