Как человек двигается: физиология движения и биомеханика

Как движется человек? Этот вопрос может казаться простым кому угодно, только не сотрудникам проблемной лаборатории биомеханики института физической культуры, работающим под руководством профессора, доктора педагогических наук В. М. Зациорского. На первом этапе предметом изучения стали физические качества: выносливость, быстрота, сила, рост, скорость реакции и т. д. Затем ученые применили к спорту методы, заимствованные из точных наук: кибернетики, математики, физики.

Эксперименты выявили некоторые закономерности, лежащие в основе управления человеческим телом. Ведь оно имеет двести пятьдесят — двести шестьдесят степеней свободы! (Степень свободы — возможные направления движения звеньев, например, в суставе.) Как наш мозг управляет таким богатством возможных движений, остается во многом еще загадкой.

Исследования выдающегося ученого Н. А. Бернштейна в области биомеханики показали, что движение — результат воздействия не одного, а многих нервных импульсов. И, видимо, для управления телом в мозгу есть определенные программы. Они хранятся в долговременной памяти. Для координации различных автоматизированных движений сознание располагает и своеобразными подпрограммами. Но для того, чтобы нужные программы и подпрограммы извлекались вовремя и начинали «руководить» движением, видимо, нужен и координирующий аппарат.

Есть два предположения о том, как происходит управление движением. Специалисты называют их методами «цепочки» и «гребенки». По первому — подпрограммы в нашем сознании связаны своеобразной цепочкой. Стоит сработать одной подпрограмме, автоматически включается вторая, третья, четвертая и т. д. Примером такой схемы может служить бег: дан старт пистолетным выстрелом — сознание автоматически включает первую подпрограмму (бегун в это время рванулся вперед), первая «зацепила» вторую, вторая — третью, и так почти бессознательно был выполнен весь цикл движения (бегун, наконец, пересек линию финиша).

Метод «гребенки» сложнее: в мозгу будто бы есть особый «прибор», управляющий включением программ и подпрограмм. В этот «прибор» поступают сведения об условиях выполнения движения и о результатах. Он, как компьютер, анализирует эти условия и включает в определенном порядке подпрограммы. Причем, по мнению Н. А. Бернштейна, если данный центр получает и перерабатывает информацию с периферии и отсылает ее, то для этого общения необходим язык или код. И разгадка такого языка сулит много интересного.

Вполне может быть, что обе гипотезы окажутся приемлемыми (то есть наш мозг способен управлять движением двумя способами). Но, чтобы выяснить их справедливость, исследователям не обойтись без точных количественных методов.

Третий период в изучении спортивного движения состоял в том, что его, наконец, научились измерять. Ученые теперь с легкостью могут сказать, как движется спортсмен, какие нагрузки он при этом испытывает. До недавнего времени этого не умели делать. Движение человеческого тела можно, конечно, увидеть на экране и даже в замедленном варианте. Но при съемке мы видим его каждый раз всего лишь в двух измерениях. А ведь специалисту важно знать всю его структуру. Кроме того, ученым нужно еще видеть, какие силы приложены к той или иной части человеческого тела.

Вот на манеже института физической культуры началась первая часть эксперимента — съемка. Спортсмен замер в предстартовой позе. Прозвучал выстрел, бегун резко рванулся вперед. Через несколько секунд он пересек линию финиша. Забег был обычным, если не считать того, что спортсмен соревновался в одиночестве. На руках и ногах его были закреплены специальные лампочки, по бокам дорожки установлены фотокамеры. Раз за разом щелкал затвор, спортсмен несколько раз пробегал мимо фотокамер. Чуть позже в фотолаборатории извлекут пленку со «следами» движения: лампочки оставляют на пленке полосы. Это траектории движения точек тела бегуна.

Эксперимент повторяется: операторы устанавливают камеры то у края бассейна, то у ковра самбистов, то у ринга боксеров — ведь каждому виду спорта, каждому спортсмену свойственны свои типы движения.

В одном из помещений проблемной лаборатории расположился стол на… рельсах. Над ним склонился кронштейн, отдаленно напоминающий рентгеновскую трубку. Испытуемый ложился на стол, щелчок выключателя — и он плывет по невидимым рельсам, а в сумраке из необычной трубки льется поток гамма-квантов мощностью, в несколько раз меньшей, чем у обычного рентгеновского аппарата. Часть потока гамма-квантов задерживается в теле, часть улавливается приборами, стоящими под столом. По степени уменьшения интенсивности потока можно судить о массе «взвешиваемой» части тела. Зная ускорение, с которым движется спортсмен, и массу, можно определить и силы, действующие на центры масс.

Стоит заложить в программу движений, заснятую фотокамерой, и код массы тела, и компьютер графически представит степень нагрузок, влияющих на спортсмена. Как важно знать спортсмену точно степень нагрузок, говорить не приходится.

Но это еще далеко не все. Путь к рекордам лежит через правильное управление и регуляцию, казалось, самых простых движений. И здесь исследователи возвращаются к работам Н. А. Бернштейна. Ведь наши движения — это лишь видимый результат глубоких процессов, проходящих в сознании. Профессор Н. А. Бернштейн писал: «Движения оказались индикатором внутренних процессов управления и регуляции, несравненно более глубоким и многосторонним, чем какие бы то ни было рефлексы». Практически все виды деятельности мозга могут быть выражены через движение. Причем определенным видам спорта могут соответствовать определенные типы движения спортсменов…

Есть виды спорта, требующие простых, часто однотипных действий. Это, например, бег, плавание, гребля, прыжки в воду, в высоту, длину. Программа движения в таких случаях заложена в нашем подсознании. Автоматизм, как мы говорили, играет здесь очень большую роль. Но это отнюдь не значит, что все движения, рождаются автоматически. Сознание учитывает условия, в которых они совершаются, и корректирует их программу. И чем правильнее коррекция, тем оптимальнее будет результат. Причем программа откорректированная вытесняет прежнюю. Но другим спортивным профессиям, — скажем, борьбе, фехтованию, хоккею, футболу — свойственны движения, в меньшей степени запрограммированные.

Н. А. Бернштейн в соответствии с новыми представлениями в биологии различал четыре класса математических отношений, моделирующих процессы движения. Это класс отображения, класс функций разброса, биоструктур управления и класс функций сличения и оценки.

Н. А. Бернштейн предполагал, что движение — это по существу отраженная действительность, но переведенная нашим мозгом на особый язык. С помощью такого языка мозг, видимо, и управляет телом. Исследователь определил и математическую закономерность, по которой действует в таких случаях наше сознание, и назвал ее «классом функций отображения».

Часто математики имеют дело с величинами взаимно однозначными. Например, всегда можно выразить однозначное соотношение между числами, скажем, шесть и два, но уже между множествами такого однозначного соотношения дать невозможно. Примерно такая ситуация складывается при переводе с одного языка на другой. Языки — это множества слов, между которыми нет взаимно однозначных соотношений, хотя, видимо, можно сделать достаточно эквивалентный перевод. Такой неоднозначный перевод с языка действительности на язык движения и делает наш мозг. Этот перевод почти всегда в известной степени точен, но может, как это часто бывает в литературе, иметь свои вариации.

Причем из-за определенных помех действие не выполняется таким образом, каким оно было задумано в нашем сознании: оно имеет «функции разброса» — ошибки, неточности. Избежать их помогает новая структура сличения и оценки, определяющая в нашем сознании разницу между достигнутым и желаемым. Работа таких структур остается пока проблемой номер один для биомехаников, медиков, психологов, математиков, исследователей многих профессий.

Но особенно важно решить проблему биологического управления. С развитием кибернетики появились различные математические гипотезы управления, но ни одна из них полностью не устраивает биомехаников. Загадка — в единичности и множественности. Отдельная нервная клетка, попросту говоря, глупа — она работает примерно так же, как обычное реле. И как из сотен миллионов таких клеток получается биоструктура, управляющая необозримым множеством процессов в нашем организме, остается пока загадкой для ученых.

Видимо, одна из целей сегодняшних тренировок спортсменов — заложить в сознание определенную программу оптимальных движений. Выполнение этой программы языком профессионалов и ведет к тренировочному эффекту, а сумма эффектов — к рекорду. Поэтому самая заманчивая, хотя и далекая перспектива исследований в области биомеханики,— научиться закладывать такую программу в сознание принципиально новыми путями.

Более чем триста лет назад, в 1679 году, в Риме увидела свет книга профессора математики Джованни Альфонсо Борелли «О механике живого». Она была единственным к тому времени специальным трудом по биомеханике. Науке этой, однако, уже во времена Борелли насчитывалось около полутора тысяч лет. Еще в Римской империи, во втором веке нашей эры врач школы гладиаторов Клавдий Гален изучал механику движения человека. Он, вероятно, первым отличил «мертвую» механику от механики движения живых тел. Вопросы биомеханики волновали Леонардо да Винчи, Ньютона, Бернулли и многих других выдающихся ученых.

В наше время ими занимаются и психологи, и медики, и математики, и кибернетики, и физики, и многие другие специалисты.

Автор: С. Жемайтис.