Об управлении движениями человека

Глава I. БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯМИ ЧЕЛОВЕКА

В настоящей главе рассматривается вопрос о задачах, стоящих перед центральной нервной системой человека при управлении произвольными движениями с точки зрения биофизических (биомеханических) закономерностей. При этом мы исходим из того, что, как будет показано ниже, изучение количественной меры действия организма в силовом поле движения приводит к заключению о том, что ограничиться одной физиологической стороной проблемы совершенно невозможно. Необходимо иметь в виду и всю сложность биомеханической структуры движений.

Фактический материал, накопленный за последние десятилетия большим коллективом ученых, позволяет выделить ряд особенностей биомеханической структуры движений человека. Эти особенности определяют высокую сложность деятельности центральной нервной системы, связанной с управлением движениями. Особенно ярко проявляются эти закономерности при выполнении спортивных навыков, осуществляющихся в большинстве случаев вблизи пределов человеческих нервно-мышечных напряжений. Нет никаких сомнений в том, что это обстоятельство и позволило в некоторых случаях выявить такие закономерности, которые в обычных условиях, при сравнительно малых нагрузках на нервно-мышечную периферию, скрыты реактивными силами и их трудно выявить при анализе движений.

Таких биомеханических особенностей движений очень много. Рассмотрим те из них, которые достаточно изучены в наше время и играют наиболее существенную роль в построении и выполнении двигательных навыков.

Силовое поле движений

Движения звеньев человеческого тела можно рассматривать как результат совместного действия внешних и внутренних сил. Совокупность этих сил представляет собой общее силовое поле движений. В нем различаются внешнее поле (силы, извне действующие на тело человека) и внутреннее (силы взаимодействия звеньев тела, их мышц, внутренних органов и других масс тела). На звенья тела действуют и внешние и внутренние силы, находящиеся в сложной взаимозависимости.

Рис. 1. Изменения силового поля звеньев ног у Ж. Лядумега при беге на среднюю дистанцию (по Н. А. Бернштейну, 1940). Стрелки — векторы ускорений центров тяжести звеньев конечностей

Выполнение произвольных движений человека такими многозвенными кинематическими цепями, как конечности, протекает в очень сложном силовом поле. Кроме того, как показали почти все биомеханические исследования, это поле никогда не бывает даже относительно стабильным. Оно все время, в зависимости от самых многообразных причин, меняется.

Приводим два характерных примера резкого изменения сложного силового поля менее чем за 0,1 сек. В первом примере (рис. 1) показано, как меняются направление и величина ускорений центров тяжести звеньев ног у одного из наиболее квалифицированных бегунов на средние дистанции тридцатых годов — Ж. Лядумега в двух следующих друг за другом позах. В позе I — в начале полетного интервала, когда опорная (левая) нога только оторвалась от земли, векторы ускорений центра тяжести бедра и стопы, естественно, направлены вперед-вверх (этой ноге предстоит сгибание в коленном суставе). А ускорение центра тяжести голени направлено вперед-вниз, что несколько сложнее объясняется торможением системы голень + стопа, необходимым для того, чтобы нога пошла не слишком высоко назад-вверх, а двигалась точно по заданной траектории. Ускорения правой ноги направлены в противоположную сторону, как будто что-то толкает ногу назад-вниз. Это «торможение маха» завершающееся, как показывает поза II, всего через 0,08 сек. разгибанием этой ноги в коленном суставе и образованием больших тормозящих усилий (предстоит постановка ее на опору). В результате векторы ускорений правой ноги повернулись на 90°, а левой — заметно возросли и опустились книзу для последующего выноса этой ноги вперед.

Рис. 2. Изменения силового поля звеньев бьющей ноги у И. Кузьменко — футболиста очень высокого класса (Ориг., 1940). Расстояния между положениями ноги несколько увеличены

Во втором примере (рис. 2) показано изменение силового поля при выполнении баллистического движения нижней конечностью — удара ногой по мячу футболистом высокого класса. В позе I (замах) ускорения центров тяжести звеньев бьющей ноги направлены по ходу движения и соответствуют тому, что следовало бы логически предполагать при переходе замаха в ударное движение Во второй позе, перед моментом соприкосновения стопы с мячом (через 0,07 сек.), ускорение бедра изменило свое направление; совершенно парадоксальным кажется, что звенья ноги не разгоняются, а... тормозятся. Это предударное торможение бедра и голени бьющей конечности. Не вдаваясь во все детали этого явления, отметим, что оно свойственно всем баллистическим движениям человека и вызывается двумя причинами. Во-первых, необходимо увеличить массу ударяющего звена для более рациональной передачи его импульса силы; в ударе по мячу будет участвовать масса не только стопы, но и ноги в целом. Во-вторых, не дать ей самортизироваться при соприкосновении с мячом. Этим продлевается время «вминания» стопы в мяч, а значит, становится более длительным приложение силы удара; вместе с тем происходит предохранение ноги от травмы. Крайне важно отметить, что описываемое торможение вовсе не означает полной остановки ноги, а только превращение ее в жесткий рычаг, продолжающий движение как единое целое. Это хорошо прослеживается в биоэлектрической активности мышц (рис. 3 и 4); в момент соприкосновения с ударяемым предметом активны не только очевидные синергисты ноги, но и, казалось бы, пассивные антагонисты (при ударе боксера — двуглавая мышца плеча, при ударе футболиста — мышцы задней поверхности бедра и голени).

Рис. 3. Биоэлектрическая активность мышцы руки и корпуса боксера при выполнении прямого удара (по Нарикашвили, Мелия, Арутюнову и др., 1959). Активность:
1 — двуглавой мышцы плеча (сгибателя предплечья); 2 — дельтовидной мышцы; 3 — трехглавой мышцы плеча (разгибателя предплечья); 4 — большой грудной мышцы; 5 — наружной косой мышцы живота. Линия Т — момент соприкосновения руки с ударяемым предметом

Таким образом, в обоих случаях менее чем за 0,1 сек. звенья конечностей дважды сменяли знаки ускорений, значит, изменялось и силовое поле. В этом и есть одна из сложностей силовых полей описываемых движений.

Мы привели эти примеры с целью показать не только сложность силовых полей движения, но и отметить, насколько действительность нередко бывает далека от наивно биомеханических предположений. Это вызывается тремя основными причинами.

Первая — выполнение движений многозвенными кинематическими цепями конечности, большей частью открытыми и находящимися в сложном взаимодействии между собой.

Вторая — наличие у этих цепей большого числа степеней свободы. Подвижность кончика пальца одной руки (относительно грудной клетки) определяется у человека 12 степенями свободы, запястья (относительно лопатки) — 7, а общее число свободы всех звеньев тела — трехзначным числом. Самое существенное здесь в том, что почти каждое сочленение имеет не одну, а две или три степени свободы движений, иначе говоря, бесчисленное множество возможных вариантов движений. Отметим попутно, что каждый искусственный механизм, созданный человеком, обычно обладает не более чем одной степенью свободы в каждом сочленении. Не трудно понять, какие большие требования предъявляет к управляющему механизму такое кинематически сложное устройство наших конечностей.

Рис. 4. Биоэлектрическая активность мышц ноги футболиста при выполнении удара, аналогичного приведенному на рис. 2. (Ориг., 1965)

Следует, кроме того, отметить одну, важную с физической точки зрения, особенность в строении и работе мышечного аппарата человеческого тела. Почти все мышцы воздействуют на жесткие части звеньев тела, как на рычаги. Однако почти всегда плечо силы мышцы существенно короче плеча силы сопротивления звена, на которое она действует (рис. 5). В результате при сравнительно малом укорочении мышцы звено или конечность перемещаются по значительно большей дуге. Эта особенность в строении костно-мышечных узлов должна вызвать дополнительные осложнения в центральном регулировании движений, так как описываемое перемещение звеньев сочетается с большим количеством степеней свободы подвижности, присущих человеческому телу как кинематической цепи.

Рис. 5. Схема действия мышцы, разгибающей ногу в коленном суставе (по Д. Д. Донскому, 1958). Плечо r силы мышцы (M) существенно короче плеча r1 силы тяжести голени (P)

Третья причина — наличие реактивных сил. Они являются результатом взаимодействия того или иного звена конечности с соседними и играют немаловажную роль в правильном и, что не менее важно, экономном выполнении движения.

Легче всего проследить действие реактивных сил при простой ходьбе. Предопорное разгибание ноги в коленном суставе всегда вызывает опускание бедра книзу (разгибание в тазобедренном суставе). При биомеханическом исследовании этого явления было установлено, что оно сопровождается характерной волной α, наблюдаемой в кривых продольных слагающих скоростей (и усилий) коленного сустава (рис. 6). Что эта волна чисто механическая, разыгрывающаяся на периферии и зависящая от подвижности коленного сустава, доказывается тем, что аналогичное явление (см. рис. 6) прослеживается при анализе ходьбы на ножном протезе, если открыть коленный шарнир и, напротив, его нельзя воспроизвести, если этот шарнир закрыть.

Рис. 6. Реактивная волна α в продольных слагающих скоростей коленного сустава при ходьбе человека, имевшего односторонний ножной протез. На здоровой стороне (а) эта волна наблюдается всегда, на протезе (б) — только при открытом коленном шарнире (по Н. А. Бернштейну, 1940)

Очень хорошо заметны реактивные усилия и при баллистических движениях. На рис. 2 можно легко проследить, что поворот назад вектора ускорений центра тяжести бедра начинается гораздо раньше, чем в более дистальных звеньях, а именно в позе II. Иными словами, бедро футболиста тормозится уже тогда, когда голень лишь начинает движение вперед-вниз. Допустимо предположить (этого подробнее мы коснемся дальше), что подобное торможение бедра можно положительно использовать для продолжения движения. Действительно, ведь если при этом в голени возникнут реактивные силы, направленные книзу, то они заметно облегчат последнее решающее движение футболиста — для завершения удара остается лишь подхватить движение голени мышцами бедра. Целый ряд наших исследований подтвердил это. Чем квалифицированнее спортсмен, тем ярче проявляется описываемое явление.

Здесь следует обратить внимание на одно весьма принципиальное явление. Реактивные усилия как результат механического воздействия одного звена на связанное с ним другое всегда участвуют в динамической структуре движений конечности; эти усилия исключить из его анализа нельзя. Но вместе с тем они таят в себе очень большие опасности.

Наши конечности как кинематические цепи имеют весьма обильное количество степеней свободы. Не трудно видеть, что любая из них может быть «использована» любой реактивной силой, если только направление действия последней позволяет звену выполнить то или иное движение. В результате подобная самостоятельно возникшая на периферии сила, независимо от управления движением, немедленно вмешается в его ход и сместит звено с намеченной траектории или изменит скорость его перемещения. Последствия этого очевидны — потеря координации движений.

Как показал еще Н. А. Бернштейн (1947), это явление наблюдается при выполнении нового, незнакомого исполнителю навыка — реактивные силы не позволяют выполнить его так, как этого бы хотелось. Одним из способов устранения вредного влияния реактивных сил является выключение всех излишних степеней свободы конечности и перемещение звеньев по некоторым минимально необходимым траекториям, в результате чего осваиваемое движение приобретает столь знакомый всем «скованный», «напряженный» характер. Подобное выполнение движений настолько невыгодно, что исполнителем принимаются все меры к тому, чтобы как можно скорее избавиться от него. Поэтому по мере освоения навыка добиваются, чтобы реактивные силы не только не мешали движению, а, напротив, как мы это показали на примере удара по мячу, принимали в нем активное, положительное участие. Они-то и придают движению ту внешнюю простоту и легкость, которую спортсмены называют «расслаблением» (хотя ни о какой астении говорить, конечно, не приходится, просто реактивные силы, принимая участие в движении, позволяют экономить мышечные усилия). В этом одна из задач правильного построения управления навыком.

Таким образом, мы уже столкнулись с одним из узловых вопросов управления двигательными навыками. Более подробное рассмотрение его отложим на дальнейшее.