Человеческий фактор. Том 5 - Крёмер К.
ISBN 5-03-001817-4
Скачать (прямая ссылка):
Истоки биомеханики восходят к середине 1600-х гг. Созданная тогда Альфонсом Джованни Борелли «биомеханическая модель» человеческого тела заменяла длинные кости прямыми звеньями, соединенными в местах сочленений — суставах тела; мышцы рассматривались как «двигатели», охватывающие одно или два сочленения тела и приводящие в движение компоненты системы. Модель звено — сустав — мышца до сих пор лежит в. основе современных подходов типа «человек, сделанный из палок». Около ста лет назад в Германии был опубликован ряд исследовательских работ, в которых обсуждались механические характеристики человеческого тела, такие, как масса, а также влияние внешних и внутренних сил. В дальнейшем механический анализ поведения человеческого тела очень помог при конструировании высокоскоростных самолетов, в освоении космоса* а также в исследованиях по обеспечению безопасности водителей автомобилей и в развитии спортивных наук.
Для характеристики компонентов тела часто используются следующие аналогии:
Кости
Контуры Тело Суставы
Суставная жидкость
Структурные члены, центральные осн, плечи рычагов
Поверхности геометрических тел Объемы, массы
Несущие поверхности и сочленения Смазка
Karl Н. Е. Kroemer, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginia.
Биомеханика тела человека
29
Сухожилия
Ткань
Мышцы
Нервы
Органы
Моторы, амортизаторы или фиксаторы
Схемы управления н обратной связи
Генераторы, потребители
Тросы, передающие силы тяги
Эластичные, несущие нагрузку поверхности в
пружины
Эти аналогии еще раз указывают на упрощения, часто допускаемые при биомеханическом моделировании.
Биомеханика до сих пор является развивающейся научной: и инженерной дисциплиной по сравнению с более сформировавшейся инженерной антропометрией: исследовательские подходы,, методы измерения и базы данных все еще формируются. Однака недостаток инженерных данных в некоторых областях не оправдывает пренебрежения уже имеющимися биомеханическими знаниями. Существует довольно широкая база данных и знаний,, например, о (статической) силе мышц, что необходимо для оценки подъемных способностей, а также о реакциях на вибрации и удары. В других областях научные и прикладные исследования развиваются быстро; поэтому инженеру необходимо-следить за прогрессом в этой области по научным и инженерным публикациям, например по журналам Biomechanical Engineering, Biomechanics, Ergonomics, Human Factors, and Spine.
2.2. Основы механики
По определению механика — это изучение сил и их действия на тела. Механику разделяют на статику и динамику. В статике изучают тела в состоянии покоя, которое является результатом равновесия действующих сил. В динамике исследуют движения тел. В подразделе динамики —кинематике — изучают движение,, не рассматривая силы, вызывающие это движение, в то время как в кинетике эти силы являются главными объектами исследования.
Основой биомеханики служат законы Ньютона. Первый закон утверждает, что тела движутся прямолинейно и равномерна (или находятся в состоянии покоя), если результирующая всех действующих на них сил равна нулю; первый закон следует из второго, который утверждает, что действующей силе должна противостоять сила реакции.
«Сила» является одним из важных аспектов в биомеханике. К сожалению, она является не основной, а производной единицей физической системы (в соответствии со вторым законом Ньютона). Это приводит к интересному следствию: не существует прибора, который измерял бы силу непосредственно. Все приборы, измеряющие силу, регистрируют другие физические-явления (обычно перемещения), которые затем преобразуются
30
Глава 2
и калибруются в единицах силы. В этом контексте следует помнить, что фунт, грамм и унция являются единицами массы, а не силы Правильной единицей является ньютон (Н): 1 фунт-сила равен приблизительно 4,45 Н; 1 кг-сила — 9,81 Н.
Сила имеет свойства вектора, который характеризуется не только величиной, но и направлением. К сожалению, об аспекте направления иногда забывают, оценивая «силу» человека, занимающегося спортом или физическими упражнениями.
Момент силы (момент) — это произведение силы на плечо рычага (перпендикуляр к направлению вектора) по отношению к оси сочленения, вокруг которой происходит вращение.
2.3. Основы антропометрии
Современная биомеханика во многом основана на данных, накопленных традиционной антропометрией, адаптированных и часто упрощенных так, чтобы они соответствовали механическим представлениям и терминологии. С другой стороны, систематические биомеханические исследования также оказали влияние на развитие антропометрических методик. В гл. 1 на рис. 1.2 указано положение основных отсчетных плоскостей: среднесагиттальная плоскость делит тело на левую и правую половины, фронтальная плоскость — на передний и задний отделы и транс-версальная плоскость — на верхнюю и заднюю части. Расположение среднесагиттальной плоскости довольно хорошо определено в отличие от положений фронтальной или трансверсальной плоскостей. Однако обычно предполагают, что эти три плоскости пересекаются в области лобка так, что точка их пересечения, начало координат системы XYZ, расположена близко к центру масс прямостоящего тела.
