Як людина рухається: фізіологія руху та біомеханіка
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Як рухається людина? Це питання може здаватися простим кому завгодно, тільки не співробітникам проблемної лабораторії біомеханіки інституту фізичної культури, які працюють під керівництвом професора, доктора педагогічних наук В. М. Зациорського. На першому етапі предметом вивчення стали фізичні якості: витривалість, швидкість, сила, зростання, швидкість реакції і т. д., потім вчені застосували до спорту методи, запозичені з точних наук: кібернетики, математики, фізики.
Експерименти виявили деякі закономірності, що лежать в основі управління людським тілом. Адже воно має двісті п’ятдесят – двісті шістдесят ступенів свободи! (Ступінь свободи – можливі напрямки руху ланок, наприклад, в суглобі.) Як наш мозок управляє таким багатством можливих рухів, залишається багато в чому ще загадкою.
Дослідження видатного вченого Н. А. Бернштейна в області біомеханіки показали, що рух — результат впливу не одного, а багатьох нервових імпульсів. І, мабуть, для управління тілом в мозку є певні програми. Вони зберігаються в довготривалій пам’яті. Для координації різних автоматизованих рухів свідомість володіє в своєму розпорядженні і своєрідними підпрограмами. Але для того, щоб потрібні програми і підпрограми витягувалися вчасно і починали «керувати» рухом, мабуть, потрібен і координуючий апарат.
Є два припущення про те, як відбувається управління рухом. Фахівці називають їх методами «ланцюжка» і «гребінки». За першим – підпрограми в нашій свідомості пов’язані своєрідним ланцюжком. Варто спрацювати одній підпрограмі, автоматично включається друга, третя, четверта і т. д., прикладом такої схеми може служити біг: дано старт пістолетним пострілом — свідомість автоматично включає першу підпрограму (бігун в цей час кинувся вперед), перша «зачепила» другу, друга — третю, і так майже несвідомо був виконаний весь цикл руху (бігун, нарешті, перетнув лінію фінішу).
Метод «гребінки» складніше: в мозку нібито є особливий «прилад», керуючий включенням програм і підпрограм. У цей «прилад» надходять відомості про умови виконання руху і про результати. Він, як комп’ютер, аналізує ці умови і включає в певному порядку підпрограми. Причому, на думку Н. А. Бернштейна, якщо даний центр отримує і переробляє інформацію з периферії і відсилає її, то для цього спілкування необхідна мова або код. І розгадка такої мови обіцяє багато цікавого.
Цілком може бути, що обидві гіпотези виявляться прийнятними (тобто наш мозок здатний керувати рухом двома способами). Але, щоб з’ясувати їх справедливість, дослідникам не обійтися без точних кількісних методів.
Третій період у вивченні спортивного руху полягав у тому, що його, нарешті, навчилися вимірювати. Вчені тепер з легкістю можуть сказати, як рухається спортсмен, які навантаження він при цьому відчуває. До недавнього часу цього не вміли робити. Рух людського тіла можна, звичайно, побачити на екрані і навіть в уповільненому варіанті. Але при зйомці ми бачимо його кожен раз всього лише в двох вимірах. Але ж фахівцеві важливо знати всю його структуру. Крім того, вченим потрібно ще бачити, які сили прикладені до тієї чи іншої частини людського тіла.
Ось на манежі інституту фізичної культури почалася перша частина експерименту – зйомка. Спортсмен завмер у передстартовій позі. Пролунав постріл, бігун різко кинувся вперед. Через кілька секунд він перетнув лінію фінішу. Забіг був звичайним, якщо не брати до уваги того, що спортсмен змагався на самоті. На руках і ногах його були закріплені спеціальні лампочки, з боків доріжки встановлені фотокамери. Раз по раз клацав затвор, спортсмен кілька разів пробігав повз фотокамер. Трохи пізніше в фотолабораторії витягнуть плівку зі «слідами» руху: лампочки залишають на плівці смуги. Це траєкторії руху точок тіла бігуна.
Експеримент повторюється: оператори встановлюють камери то біля краю басейну, то біля килима самбістів, то у рингу боксерів — адже кожному виду спорту, кожному спортсмену властиві свої типи руху.
В одному з приміщень проблемної лабораторії розташувався стіл на… рейках. Над ним схилився кронштейн, що віддалено нагадує рентгенівську трубку. Випробуваний лягав на стіл, клацання вимикача — і він пливе по невидимих рейках, а в сутінку з незвичайної трубки ллється потік гамма-квантів потужністю, в кілька разів меншою, ніж у звичайного рентгенівського апарату. Частина потоку гамма-квантів затримується в тілі, частина вловлюється приладами, що стоять під столом. За ступенем зменшення інтенсивності потоку можна судити про масу частини тіла, що «зважується». Знаючи прискорення, з яким рухається спортсмен, і масу, можна визначити і сили, що діють на центри мас.
Варто закласти в програму рухів, зняту фотокамерою, і код маси тіла, і комп’ютер графічно представить ступінь навантажень, що впливають на спортсмена. Як важливо знати спортсмену точно ступінь навантажень, говорити не доводиться.
Але це ще далеко не все. Шлях до рекордів лежить через правильне управління і регуляцію, здавалося, найпростіших рухів. І тут дослідники повертаються до робіт Н. А. Бернштейна. Адже наші рухи – це лише видимий результат глибоких процесів, що проходять у свідомості. Професор Н. А. Бернштейн писав: «рухи виявилися індикатором внутрішніх процесів управління і регуляції, незрівнянно більш глибоким і багатостороннім, ніж які б то не було рефлекси». Практично всі види діяльності мозку можуть бути виражені через рух. Причому певним видам спорту можуть відповідати певні типи руху спортсменів…
Є види спорту, що вимагають простих, часто однотипних дій. Це, наприклад, біг, плавання, веслування, стрибки у воду, у висоту, довжину. Програма руху в таких випадках закладена в нашій підсвідомості. Автоматизм, як ми говорили, грає тут дуже велику роль. Але це аж ніяк не означає, що всі рухи, народжуються автоматично. Свідомість враховує умови, в яких вони відбуваються, і коригує їх програму. І чим правильніше корекція, тим оптимальніше буде результат. Причому програма відкоригована витісняє колишню. Але деяким спортивним професіям, – скажімо, боротьбі, фехтуванню, хокею, футболу — властиві рухи, в меншій мірі запрограмовані.
Н. А. Бернштейн відповідно до нових уявлень в біології розрізняв чотири класи математичних відносин, що моделюють процеси руху. Це клас відображення, клас функцій розкиду, біоструктур управління і клас функцій звірення і оцінки.
Н. А. Бернштейн припускав, що рух — це по суті відображена дійсність, але перекладена нашим мозком на особливу мову. За допомогою такої мови мозок, мабуть, і управляє тілом. Дослідник визначив і математичну закономірність, за якою діє в таких випадках наша свідомість, і назвав її «класом функцій відображення».
Часто математики мають справу з величинами взаємно однозначними. Наприклад, завжди можна висловити однозначне співвідношення між числами, скажімо, шість і два, але вже між множинами такого однозначного співвідношення дати неможливо. Приблизно така ситуація складається при перекладі з однієї мови на іншу. Мови – це множини слів, між якими немає взаємно однозначних співвідношень, хоча, мабуть, можна зробити досить еквівалентний переклад. Такий неоднозначний переклад з мови дійсності на мову руху і робить наш мозок. Цей переклад майже завжди певною мірою точний, але може, як це часто буває в літературі, мати свої варіації.
Причому через певні перешкоди дія не виконується таким чином, яким вона була задуманою в нашій свідомості: вона має «функції розкиду» — помилки, неточності. Уникнути їх допомагає нова структура звірення і оцінки, що визначає в нашій свідомості різницю між досягнутим і бажаним. Робота таких структур залишається поки проблемою номер один для біомеханіків, медиків, психологів, математиків, дослідників багатьох професій.
Але особливо важливо вирішити проблему біологічного управління. З розвитком кібернетики з’явилися різні математичні гіпотези управління, але жодна з них повністю не влаштовує біомеханіків. Загадка – в одиничності і множинності. Окрема нервова клітина, просто кажучи, дурна – вона працює приблизно так само, як звичайне реле. І як із сотень мільйонів таких клітин виходить біоструктура, керуюча неозорою безліччю процесів в нашому організмі, залишається поки загадкою для вчених.
Мабуть, одна з цілей сьогоднішніх тренувань спортсменів – закласти в свідомість певну програму оптимальних рухів. Виконання цієї програми мовою професіоналів і веде до тренувального ефекту, а сума ефектів — до рекорду. Тому сама приваблива, хоча і далека перспектива досліджень в області біомеханіки, – навчитися закладати таку програму в свідомість принципово новими шляхами.
Більш ніж триста років тому, в 1679 році, в Римі побачила світ книга професора математики Джованні Альфонсо Бореллі «Про механіку живого». Вона була єдиною на той час спеціальною працею з біомеханіки. Науці цій, однак, вже за часів Бореллі налічувалося близько півтори тисячі років. Ще в Римській імперії, у другому столітті нашої ери лікар школи гладіаторів Клавдій Гален вивчав механіку руху людини. Він, ймовірно, першим відрізнив «мертву» механіку від механіки руху живих тіл. Питання біомеханіки хвилювали Леонардо да Вінчі, Ньютона, Бернуллі і багатьох інших видатних вчених.
У наш час ними займаються і психологи, і медики, і математики, і кібернетики, і фізики, і багато інших фахівців.
Автор: С. Жемайтіс.