Биомеханика і синергетика

Биомеханика і синергетика

В.А. Ковальов, Москва Системный підхід в биомеханике дозволяє сформувати картину будівлі рухів [1]. Руховий акт (рухове дію) людини, можна розглядати, як результат взаємодії енергетично і інформаційно відкритої системи із навколишньою середовищем. Усі руху на структурі діляться на рухові (биокинематические і биодинамические) і інформаційні. Чимало понять в биомеханике можна розглядати з позицій синергетики (самоорганізації) — сучасного міждисциплінарного підходу, предметом дослідження якого є динамічний поведінка складних відкритих систем [11, 13]. За суттю, це погляд поширювати на світ через нелінійний. До самоорганізації часто-густо наводить гра нелінійних динамічних процесів, як динамічний, і інформаційне зміст процесу вже узгоджених із великим рівнем точності й діють складається у єдиний «організм «[3]. Інформаційне поведінка складних систем пов’язують із проявом свободи волі в критичних точках біфуркації і рибопродукції обмежується фізичними законами динаміки [7]. Системі, в якої збільшення порядку, можна приписати намір змінитися в такий спосіб, аби домогтися кращої пристосованості до оточуючих умовам. Вивчення закономірностей побудови структур, виникнення упорядкованості, знання внутрішніх властивостей системи та законів її еволюції дозволяють вибрати оптимальні рішення, методи управления.

Одним із виявів самоорганізації в биомеханике вважатимуться упорядкування системи рухів, перетворення їх у рухове дію, супроводжуване зменшенням симетрії системи рухів і виникненням колективних ступенів свободи (мод), характеризуемых параметрами порядку; у разі інші ступеня свободи хіба що «заморожені «. Ще Н. А. Бернштейн [4] розглядав розвиток координування й спритності як подолання «зайвих «ступенів свободи. По його образним висловом, кооперація м’язів всього тіла — «синергія «подібна грі оркестру, у якому ролі диригента виступає центральний мозок. Нелінійний характер взаємодії між елементами биомеханической системи дозволяє перерозподілити енергію по ступенів свободи. Як і синергетики, в биомеханике складна система набуває властивості когерентних структур, відсутні у з яких складається елементів (системні властивості, відповідно до [6]). Так було в частковості, в кістково-м'язової системі людини, що є активну середу ввечері з розподіленими запасами енергії, виникають автоволны біомеханічних ланцюгів. Параметри порядку хвилеподібних рухів визначаються пружністю м’язів, зв’язок і силою тяжкості, біомеханіка стає хвильової [1].

Классическая механіка з її детермінованим підходом розглядає спрямування її розвитку в часі та в просторі. Рухове дію розбивається на складові елементи, фази. Початкові умови однозначно визначають траєкторію (конфигура цию) й остаточне стан. Проте явище хаосу в нелінійних динамічних системах у багатьох випадках призводить до «забуванню «початкових умов, і результати перестає залежати від нього. Разом про те рухове дію можна розглядати не розчленовуючи деякі фази, бо як цілісну когерентну структуру, де всі події взаємопов'язані. Така думка й у квантової механіки, у якій справедливий імовірнісний підхід: відразу рассматри ваются всіх можливих траєкторії, з часткою ймовірності з'єднуються початкова й кінцева точки. І тут відбувається передбачення результату, коли рухове дію окреслюється справжнім, і майбутнім (випереджувальний майбутнє). Для біомеханіка може бути важливі обидва подхода.

Эволюцию біомеханічних систем можна досліджувати з допомогою теорії катастроф [2, 5], передбачення якої повністю підтверджуються експериментально, зокрема у теорії ударів пружних конструкцій й у теорії перекидання кораблів [11]. Cуществование критичних значень зовнішньої навантаження чи руйнація тієї чи тієї інший внутрішнього зв’язку призводить до бифуркационной перебудові та втрати стійкості. Студійовані процеси стійкості аналізуються з урахуванням енергетичного принципу рівноваги з допомогою управляючих і враження внутрішніх параметрів. Якщо потенційної ямі спочатку невеличке відхилення від рівноваги надалі загасає (аттрактор — стійкий фокус на фазової площині), то, на вершині потенціалу ситуація явно нестійка: малі відхилення збільшуються, процес розвивається лавиноподібно (катастрофа). Метастабильные несталі стану характеризуються тим, що нестійкості наводять лише досить великі відхилення: плато чи невеличка ямка на вершині пагорба. Рівновага тіла людини, обеспечива емое балансом моментів всіх сил, є взірцем метастабильного стану. Механічна енергія тіла людини у статиці полягає від суми потенційної енергії на полі сили тяжкості і биопотенциальной енергії пружного напруги м’язів. При зовнішньому вплив на тіло виникає нормальна реакція рухового центру — прагнення підтримати стан рівноваги так, щоб центр тяжкості (ц.т.) перебував над площею опори. Тоді окремий енергетичний рівень то, можливо подано у вигляді потенційної ями, по ширині відповідної площі опори. Глибина ями визначається заввишки енергетичного бар'єра, залежить з посади, чиненої із подолання опору м’язів. Слід зазначити, що статичні режими досить умовні: наявність шумів — неминучих флуктуацій становища ц.т. є джерелом нестаціонарність, у результаті виникають локальні екстремуми потенціалу, що призводять до запасу стійкості. Рух людини в час ходьби, бігу є автоволну — послідовність переходів з одного метастабильного стану до іншого під час кожного кроку, що супроводжується частковим падінням (катастрофою). Очевидна аналогія з так званим явищем самоорганизованной критичності, які виникають у тому випадку, коли системі вигідно стрибком перейти в інший енергетичний рівень: має місце намагання до хитливому становищу. У природі таке поведінка виявляють снігові лавини, купи піску тощо. [10]. Отже, поєднання стійких і нестійких станів забезпечує необхідну стабілізацію руху; загалом можна казати про самоорганизованной стійкою динаміці. Сумісність несумісного, кількість в якість забезпечують эволюцию.

В дослідженнях по синергетики показано, що складних самоорганізованих систем характерно посилення малих, узгоджених з внутрішніми властивостями системи впливів, так званих резонансних порушень [3]. Власне кажучи, за високий рівень адаптації систем, що є за українсько-словацьким кордоном стійкості, до швидко мінливим умовам доводиться платити. Такі системи мають «ахіллесову п’яту «- уразливі місця, слабке, але точне вплив куди призводить до їхнього руйнації [8]. Принципово важлива роль узгодження дій защищающегося з діями нападаючого (синергія двох біомеханічних систем), використання точечної впливу зокрема у рукопашному бої у системі Кадочникова [9, 12].

Изучение характеру виведення биомеханической системи з рівноваги цікавить єдиноборств. У разі безпосереднього подолання енергетичного бар'єра з фіксованою напрямом доданої сили витрачати багато енергії: це «робота на силу ». Однак можна говорити обійти бар'єр, досягти нестійкого положення з мінімальними енергетичними витратами. І з напрямів рухливості - ступенів свободи забезпечується парою м’язів взаємно протилежного дії, так званими мышцами-антагони стами [4]. Інші мірі свободи виявляються вільними, ослабленими з погляду контролю, вільними для действий.

Потенциальная яма має вигляд сідла з уплощенной верхньої частиною. Тому зміна напрямів впливів на взаємно поперечні оптимальна, колишні дії хіба що забуваються, сила опору в наближенні закону Гука щоразу починається від початку, а той час необхідне усунення ц.т. накопичується. У цьому дії стають непередбачуваними для рухового центру, здійснює контролю над рухами і заскоченому «зненацька ». Отже, послідовність взаємно поперечних малих зсувів виводить ц.т. межі площі опори, використовуючи набагато менші фізичні зусилля. Працює принцип минимакса: максимальний результат мінімуму енергетичних затрат.

Полученный енергетичний виграш, використовуваний при виведення з рівноваги, є наслідком інформаційного поведінки системи. Безбарьерный, чи тунельний, ефект виникає завдяки зміні напрямів впливу, отримання в точках біфуркації як команд від мозку, який нібито обманює руховий центр. При вплив на систему важлива як енергія сигналу, але його форма, тобто. информация.

На практиці зміна напрямів природним чином досягається під час хвилеподібних рухових действий.

Список литературы

1. Агашин Ф. К. Біомеханіка ударних рухів. — М.: ФиС, 1977.

2. Арнольд В.І. Теорія катастроф. — М., 1983.

3. Ахромєєва Т.С., Курдюмов С. П., Малинецкий РР., Самарський А. А. Нестационарные структури та дифузний хаос. — М.: Наука, 1992.

4. Бернштейн Н. А. Про спритності, і її розвитку. — М.: ФиС, 1991.

5. Гилмор Р. Прикладна теорія катастроф. — М.: Світ, 1984.

6. Донськой Д. Д. «Теор. і практ. фіз. культ. », 1997, № 3.

7. Кадомцев Б. Б. Динаміка і інформація. — М: Ред. ж. УФН, 1998.

8. Малинецкий РР., Митин Н. А. — У рб.: Нове в синергетики. Загадки світу нерівноважних структур. — М.: Наука, 1988.

9. Мірошниченко Є.І. «Теор. і практ. фіз. культ. », 1988, № 11/12.

10. Пер Бак, Кан Чен. У науки, 1991, № 3.

11. Пригожин І. Від існуючого до яка виникає. М., 1985.

12. Ретюнских А.І., Заяшников С.І. Російський стиль рукопашного бою (Стиль Кадочникова). -Новосибірськ: Звістка, 1991.

13. Хакен. Синергетика. М.: Світ, 1985.

14. Томсон Дж. М.Т. Нестійкості і катастрофи у науці й техніці. — М.: Світ, 1985.

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.