В.А. Ковалев, Москва
Системный подход в биомеханике позволяет сформировать картину строения движений [1]. Двигательный акт (двигательное действие) человека можно рассматривать как результат взаимодействия энергетически и информационно открытой системы с окружающей средой. Все движения в структуре делятся на двигательные (биокинематические и биодинамические) и информационные.
Многие понятия в биомеханике можно рассматривать с позиций синергетики (самоорганизации) - современного междисциплинарного подхода, предметом исследования которого является динамическое поведение сложных открытых систем [11, 13]: к самоорганизации очень часто приводит игра нелинейных динамических процессов, когда как динамическое, так и информационное содержание процесса с большой степенью точности оказывается согласованным и складывается в единый "организм" [3]. По сути, это взгляд на мир через нелинейность, когда ннформационное поведение сложных систем в критических точках бифуркации связывается с проявлением свободы воли или случайности, однако ограничивается физическими законами динамики [7]. Системе, в которой происходит увеличение порядка, можно приписать намерение измениться таким образом, чтобы добиться лучшей приспособленности к окружающим условиям. Изучение закономерностей построения структур, возникновения упорядоченности, знание внутренних свойств системы и законов ее эволюции позволяют выбрать оптимальные решения, методы управления.
Одним из проявлений самоорганизации в биомеханике можно считать упорядочивание системы движений и превращение её в двигательное действие, сопровождаемое уменьшением симметрии системы движений и возникновением коллективных степеней свободы (мод), характеризуемых параметрами порядка, когда остальные степени свободы тела как бы "заморожены". Ещё Н.А. Бернштейн [4] рассматривал развитие координации и ловкости как преодоление "лишних" степеней свободы: по его образному выражению, согласованная работа мышц всего тела – их "синергия" - подобна игре оркестра, в котором в качестве дирижёра выступает центральный мозг, причём перераспределить энергию по степеням свободы позволяет в том числе нелинейный характер взаимодействия между элементами биомеханической системы. При этом как и в синергетике, так и в биомеханике сложная система приобретает свойства когерентных структур, отсутствующие у составляющих её элементов (системные свойства, согласно [6]). Так, в частности, в костно-мышечной системе человека, представляющей собой активную среду с распределёнными запасами энергии, возникают автоволны биомеханических цепей - биомеханика становится волновой. Параметры порядка волнообразных движений тела определяются упругостью мышц, связок и силой тяжести [1].
Классическая механика с её детерминистским подходом рассматривает движение в его развитии во времени и в пространстве, когда двигательное действие разбивается на составные элементы (фазы), при этом начальные условия однозначно определяют траекторию (конфигурацию) и конечное состояние. Однако явления автоколебаний и хаоса в нелинейных динамических системах приводят к "забыванию" начальных условий, и результат перестает от них зависеть. Вместе с тем, двигательное действие можно рассматривать, не расчленяя его на отдельные фазы, а как целостную когерентную структуру, где все события взаимосвязаны - такая точка зрения характерна для квантовой механики, в которой используется уже вероятностный подход, где рассматриваются сразу все возможные траектории (их ансамбль), при этом начальная и конечная точки соединяются лишь с определённой степенью вероятности. В этом случае происходит предвидение результата, когда двигательное действие определяется как настоящим, так и будущим («опережающее будущее»). В биомеханике могут быть важны оба подхода.
Эволюцию биомеханических систем можно исследовать с помощью теории катастроф [2, 5], предсказания которой полностью подтверждаются экспериментально, в частности, в теории «хлопков» упругих конструкций и в теории опрокидывания кораблей [11]. Cуществование критических значений внешней нагрузки или разрушение той или иной внутренней связи приводит к бифуркационной перестройке и потере устойчивости. Изучаемые процессы устойчивости анализируются на основе энергетического принципа равновесия при помощи управляющих и внутренних параметров: если в потенциальной яме первоначально небольшое отклонение от равновесия в дальнейшем затухает (аттрактор - устойчивый фокус на фазовой плоскости), то на вершине потенциала ситуация явно неустойчива - малые отклонения увеличиваются, причём этот процесс развивается лавинообразно (катастрофа). Метастабильные неустойчивые состояния – «плато» или небольшая «ямка» на вершине «холма» - характеризуются тем, что к неустойчивости приводят лишь достаточно большие отклонения.
Равновесие тела человека, обеспечиваемое балансом моментов всех сил, как раз является примером метастабильного состояния. Механическая энергия тела человека в статике состоит из суммы потенциальной энергии в поле силы тяжести и биопотенциальной энергии упругого напряжения мышц. При внешнем воздействии на тело возникает нормальная реакция двигательного центра - стремление поддержать состояние равновесия так, чтобы центр тяжести (ц.т.) находился над площадью опоры. Тогда отдельный энергетический уровень может быть представлен в виде потенциальной ямы, по ширине соответствующей площади опоры. Глубина ямы определяется высотой энергетического барьера, зависящего от работы, совершаемой по преодолению сопротивления мышц. Следует отметить, что статические режимы довольно условны: наличие шумов - неизбежных флуктуаций положения ц.т. - является источником нестационарности, в результате чего возникают локальные экстремумы потенциала, приводящие к дополнительному запасу устойчивости.
Движение человека во время ходьбы, бега представляет собой автоволну - последовательность переходов из одного метастабильного состояния в другое во время каждого шага, сопровождающегося частичным падением (катастрофой). Здесь очевидна аналогия с явлением так называемой «самоорганизованной критичности», возникающим в том случае, когда системе выгодно скачком перейти на другой энергетический уровень, когда кратковременно имеет место устойчивое стремление к неустойчивому положению: в неживой природе такое поведение обнаруживают снежные лавины, кучи песка и т.д. [10].
Таким образом, сочетание устойчивых и неустойчивых состояний тела обеспечивает необходимую стабилизацию движения, и в целом можно говорить о самоорганизованной устойчивой динамике. Совместимость несовместимого - переход количества в качество - обеспечивают эволюцию.
В исследованиях по синергетике показано, что для многих сложных самоорганизующихся систем характерно усиление малых воздействий, согласованных с внутренними свойствами системы - так называемые резонансные возбуждения [3]. Вообще говоря, за высокую степень адаптации к быстро меняющимся условиям систем, находящихся на границе устойчивости, приходится платить: такие системы имеют "ахиллесову пяту" - уязвимые места, при слабом, но точном воздействии на которые происходит их разрушение [8].
Принципиально важная роль согласования действий защищающегося с действиями нападающего (синергия двух биомеханических систем) и использование точечных воздействий наблюдается в русском рукопашном бое [9, 12]. Здесь особый интерес представляет изучение характера выведения биомеханической системы (нападающие + внешняя среда + защищающиеся) из равновесия, поскольку в случае непосредственного преодоления энергетического барьера при фиксированном направлении приложенной силы приходится затрачивать много энергии ("работа на силу"). Однако можно обойти этот барьер, прежде достигнув неустойчивого положения, что позволит провести дальнейшие действия с минимальными энергетическими затратами.
Каждое из направлений подвижности (степеней свободы) тела обеспечивается парой мышц взаимно противоположного действия - так называемыми мышцами-антагонистами [4]. При этом другие степени свободы оказываются незанятыми и ослабленными с точки зрения контроля, однако свободными для действий, поскольку здесь потенциальная яма имеет вид седла с уплощённой верхней частью и поэтому смена направлений воздействия на взаимно ортогональные (независимые, в том числе перпендикулярные) оптимальна, причём прежние действия как бы забываются. Сила сопротивления (упругости) в приближении закона Гука каждый раз начинается с нуля, но в то же время необходимое смещение ц.т. накапливается и при этом действия становятся непредсказуемыми для двигательного центра, осуществляющего контроль за движениями и застигнутого "врасплох" - таким образом, последовательность взаимно перпендикулярных малых смещений выводит ц.т. за пределы площади опоры, используя намного меньше физических усилий. Здесь работает принцип минимакса: максимальный результат при минимуме энергетических затрат. Полученный энергетический выигрыш, используемый при выведении из равновесия, является следствием информационного поведения системы. Безбарьерный, или туннельный эффект возникает благодаря смене направлений воздействия в точках бифуркации при получении информации в виде команд от головного мозга, который как бы обманывает двигательный центр – значит, здесь при воздействии на систему важна не столько энергия сигнала, сколько его форма, т.е. информация. На практике смена направлений естественным образом достигается во время волнообразных двигательных действий.
Список литературы
1. Агашин Ф.К. Биомеханика ударных движений. - М.: ФиС, 1977.
2. Арнольд В.И. Теория катастроф. - М., 1983.
3. Ахромеева Т.С., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г., Самарский А.А. Нестационарные структуры и диффузионный хаос. - М.: Наука, 1992.
4. Бернштейн Н.А. О ловкости и ее развитии. - М.: ФиС, 1991.
5. Гилмор Р. Прикладная теория катастроф. - М.: Мир, 1984.
6. Донской Д.Д. "Теор. и практ. физ. культ.", 1997, № 3.
7. Кадомцев Б.Б. Динамика и информация. - М: Ред. ж. УФН, 1998.
8. Малинецкий Г.Г., Митин Н.А. - В сб.: Новое в синергетике. Загадки мира неравновесных структур. - М.: Наука, 1988.
9. Мирошниченко Е.И. "Теор. и практ. физ. культ.", 1988, № 11/12.
10. Пер Бак, Кан Чен. В мире науки, 1991, № 3.
11. Пригожин И. От существующего к возникающему. М., 1985.
12. Ретюнских А.И., Заяшников С.И. Русский стиль рукопашного боя (Стиль Кадочникова). -Новосибирск: Весть, 1991.
13. Хакен. Синергетика. М.: Мир, 1985.
14. Томсон Дж. М.Т. Неустойчивости и катастрофы в науке и технике. - М.: Мир, 1985.
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта https://lib.sportedu.ru