Значенням сил.

1 тип важіля – сили прикладено по різні боки від точки опори.

2 тип важіля – сили прикладено по один бік від точки опори.

«Золоте правило» механіки: у скільки разів ми маємо виграш у силі, у стільки ж ми програємо у відстані. Піднімаючи за допомогою важіля якесь тіло, ми отримуємо виграш у силі, але довгий кінець важіля повинен буде пройти шлях набагато більший, ніж відстань, на яку переміститься тіло. У вусі людини є три кісточки –молоточок, коваделко, наковальня, які виступають у ролі важелів: амплітуда коливання стремінця набагато більша, ніж амплітуда барабанної перетинки. Таким чином відбувається підсилення звукового сигналу.

Скелет людини має багато важелів. Уважно роздивіться ці малюнки.

3. Проекції сил на вісі.

У математиці функції сінуса і косинуса вводилися за допомогою тригонометричного кола. За

функцію косинус відповідає проекція х - прилегла до кута α. За сінус –

відповідає проекція y,ця проекція дорівнює стороні прямокутного

Проекція вектора F на вісь х

Проекція вектора F на вісь y

Значення функцій синуса і косинуса – за модулем завжди менше одиниці.

А такі числа мають особливість: при множенні на якесь фіксоване число,

це число зменшується. Наприклад: 5·0,6=3. Три – менше, ніж п´ять.

Крім того, три – це 60% від п´яти. Тобто, помножуючи вектор на сінус або косинус кута,ми його зменшуємо і отримуємо одну з його проекцій (Катети завжди коротші за гіпотенузу).

4. Центр мас тіла – геометрична точка, що характеризує рух системи матеріальних

точок, як єдиного цілого.

Центр ваги –точка, відносно якої сумма моментів всіх сил ваги, що діють на тіло,

дорівнює нулю.

Приклад тіла, в якого центр масіцентр вагине співпадають: на верхніх поверхах

хмарочосів прискорення вільного падіння g менше, ніж біля поверхні землі, тому центр

ваги хмарочосу знаходиться нижче центру мас. Але біля поверхні планети Земля –

точки «центр мас» і «центр ваги» співпадають і ці поняття можна взаємозамінювати.

5. Ступені свободи

у просторі.

Кількість ступенів свободи для кінематичних ланцюгів обчислюють за формулою

,

Де –кількість ланок, - кількість з’єднань між ланками,

-кількість ступенів свободи.

Дві кістки, з’єднані суглобом, мають ступенів свободи.

Прикладом кінематичної пари є плече і передпліччя, з'єднані ліктьовим суглобом.

Кінематична ланцюг - це послідовне або розгалужене з'єднання кінематичних пар.

Розрізняють замкнуті і незамкнуті кінематичні ланцюги. Прикладом замкнутого

ланцюга є послідовне з'єднання двох ребер, грудини і хребця в грудній клітці. До

незамкненою кінематичного ланцюга можна віднести безопорну ногу у фазі переносу при ходьбі.

Відомо, що людина має 240 ступенів свободи. Оскільки в суглобах можливі в основному обертальні рухи, то ступені свободи в них визначаються незалежними кутовими переміщеннями, кількість яких залежить від форми і будови суглоба. Так, наприклад, в ліктьовому суглобі є два ступені свободи (згинання-розгинання і пронація-супінація), а в тазостегновому суглобі - три ступені свободи

6. Статика тіла людини – доволі складна фізична задача. А динаміку і кінематику людини, взагалі розраховують на комп´ютерах за допомогою спеціальних програм (наприклад для спортсменів або танцьористів). Основною метою вивчення цього розділу біофізики - буде навчити вас інтуітивно оцінювати рівновагу і напрямки дії сил. Звісно, при транспортуванні важкого пацієнта, ви не будете обчислювати проекції сил для вибору правильного положення його тіла. Але швидко, інтуїтивно, практично визначати центр ваги тіла, кути, під якими нобхідно його розташувати, сили, які необхідно прикласти для пересування пацієнта – це дуже важливо для медика.

Проекція на X =0 Проекція на Y =0

У цьому прикладі положення гімнаста статичне. Він не рухається ні у горизонтальному, ні у вертикальному напрямку. Це означає, що проекції всіх сил, як на вісь Ох, так і на вісь Оy , що діють на його тіло повинні дорівнювати нулю.

При проекції сил на вісь Xвидно, що сила реакції опори врівноважується проекцією сили вздовж руки , а при проекції сил на вісь Y – сила тяжіння врівноважується проекцією .

Роздивляючи цей приклад з гімнастом, спробуйте інтуїтивно відповісти на такі запитання:

Чи присутня сила тертя між підлогою і долонями гімнаста? Чи сояв би статично гімнаст, якби площа його долоней дорівнювала нулю (на кулаках)? Чи проходить проекція центру мас гімнаста через його зап´ясток ?

Чи стійка ця рівновага?

Опорно-руховий апарат людини

Опорно-руховий апарат складається зі скелета та м'язів. Скелет - це пасивна частина, а м'язи - активна.

Функції опорно-рухового апарату

1. Опорна(Скелетні м'язи фіксують тіло в певному положенні.)

2. Рухова(Здійснюється за допомогою з'єднаних суглобами кісток і скорочення прикріплених до них м'язів.)

3. Захисна(грудна клітка захищає серце та легені, череп – мозок тощо )

4. Метаболічна функція(бере участь в обміні мінеральних речовин)

5. Кровотворна(червоний кістковий мозок.)

Динамічна та статична робота людини при різних видах її діяльності.

Робота у фізиці орієнтована на вивчення силового впливу та переміщення зовнішніх об’єктів.

(рекомендуємо повторення - стр. 4 цього конспекту)

Робота у біофізиці орієнтована на вивчення роботи м’язів людини і не завжди пов’язана з переміщенням. Робота м’язів людини розділяється на динамічну та статичну.

Динамічна робота здійснюється при переміщенні тіла людини, її рук, ніг, пальців у просторі.	Статична робота - процес скорочення м'язів, необхідний для підтримки тіла у визначеній позі та утримання знаряддя праці.
При динамічній роботі навантаження на м’язи змінне за інтенсивністю, напрямком.	Статична робота більш втомлива тому, що напруження м'язів тривають безперервно, без пауз і відпочинку.
Чоловіки швидше за жінок втомлюються від динамічної роботи м’язів.	Жінки більше втомлюються від статистичної роботи м’язів. Їм важче довго стояти, ніж чоловікам.
За характеристикою ℓ ( довжина м’язів) розрізняють ізотонічне і ізометричне скорочення
Ізотонічне скорочення м’язів - вільне вкорочення м'язів. Концентричне скорочення– згинання кінцівки, ексцентричне скорочення – розгинання. рух	Довжина м’язу залишається постійною, змінюється лише його напруга. Цей вид скорочення м'язових волокон називається ізометричним.
За характеристикою t (час дії біоімпульсів) розрізняють тетанічне і тонічне скорочення
Тетанічне скорочення м’язів –кожне динамічне скорочення складається з великої кількості нервових імпульсів достатньої частоти. Посилює обмін речовин, діяльність серця, легень, нирок, потових залоз, залоз внутрішньої секреції, нервової системи тощо.	Тонічне скорочення м’язів – слабіше за тетанічне, але більш тривале. Що призводить до зменшення у м’язах об'ємного кровотоку, зменшення надходження кисню і перехід на анаеробне енергетичне забезпечення з накопиченням великої кількості молочної кислоти.

Доведено, що напруження при статичній роботі в 5 разів перевищує напруження, викликане динамічною роботою. На відновлення енергії в разі статичної роботи необхідно в 3—4 рази більше часу, ніж у разі динамічної. Тому статичне навантаження, яке виникає при маніпулюванні органами керування, не повинно перевищувати 15 % максимального зусилля руки (ноги) за даної робочої пози.

Ергометрія.

Ергометрія (від грец. Ergon - робота і metreo - вимірюю) - метод вимірювання працездатності окремого м'яза або групи м'язів (руки, пальця, ноги) і функціональних змін в організмі під час фізичного навантаження, заснований на виконанні дозованої механічної роботи. Здійснюється за допомогою приладу ергометра. Крім чисто діагностичних завдань, проведення ергометріческіх досліджень дозволяє провести оцінку толерантності хворих до фізичного навантаження.

Під час ергометрії знімаються такі показники:

1. Робота серця (ЕКГ), пульс.

2. Частота, глибина дихання, вміст

3. Тиск.

4. Потовиділення.

5. Температура.

6. Час відновлення після навантажень.

7. Утворення лактату (молочної кислоти) у м’язах.

На базі цих даних проводиться необхідний аналіз фізичного стану людини.

	Види ергометрії	Малюнок	Фактично виконана робота
	Без використання спеціальних пристроїв		Людина виконує роботу, піднімаючи свій центр ваги на висоту гомілкової кістки, переміщаючи руки, торс тощо. Формулу не визначено.
Недоліки: похибки від індивідуальних особливостей - маса тіла, зріст, амплітуда рухів,
	«Бігова доріжка» - тредбані (тредмілє)		М’язи виконують фактичну роботу, переміщуючи тіло на відстань , тому (біг)
Недоліки: неможливість точного дозування м'язової роботи
	Степ-ергометрія (Різновисокі сходинки )		Людина виконує роботу, піднімаючи свій центр ваги на висоту сходинки. – вага людини, - висота сходинки, – кількість кроків.   Темп сходження задається метрономом.
Недоліки: не враховуються зусилля, витрачені на скорочення м'язів верхніх кінцівок і тулуба.
	Вело-ергометр.		- робота [дж], яку виконав досліджуваний. - сила тертя вело-ергометра (сила опору педалі). - довжина колеса. – кількість обертів.
Недоліки: локальна втомлюваність м’язів.

Виходячи з даних фактично виконаної роботи та фізичних показників, можна оцінити м’язові енергозатрати людини. Але необхідно враховувати, що м’язові енергозатрати включають:

1. Фактично виконану роботу.

2. Енергію, що витрачається на теплоутворення під час скорочення м’язів та.

3. Енергію, що витрачається на підтримку підвищення функціонування організму (прискорення дихання, серцебиття, потовиділення).

4. ККД ергометра (вказується у інструкції по експлуатації даного ергометра).

5. Вік людини.

(Зрозуміло, що 100- кілограмова людина витрачає більше енергії, піднімаючись по сходинкам, ніж 70-кілограмова. Але маса людини враховується у формулі виконаної роботи.)

Після обробки показників можна отримати такі дані:

1. Електрокардіограма – розшифровується кардіологом. Показує роботу серця під час навантажень.

Для медицини електрокардіограма – це основний показник стану людини. Для спорту мають також значения такі параметри:

2. М’язова сила. Вона характеризується максимальним напруженням, яке здатні розвинути м’язи під час збудження.

3. М’язова витривалість — це здатність підтримувати зусилля на постійному рівні.

( – показник м’язової витривалості, а — початкове максимальне зусилля, б — зусилля через одну хвилину.

4. Потужність м’язів – це робота, яку виконують м’язи за одиницю часу. (Визначається, наприклад, при оцінюванні швидкості, з якою людина крутить педалі вело-ергометра.)

5. Споживання кисню ( – об’єм спожитого кисню, - коефіцієнт пропорційності між обсягом спожитого кисню і виконаною механічною роботою. - показник споживання кисню.)

6. ККД м’язової роботи. - Фактична робота, - кількість теплоти, що виділилася.

7. Аеробний поріг (АЕП) та анаеробний поріг (АНП) - момент у процесі навантаження, коли молочна кислота в м'язах синтезується швидше, ніж потік крові встигає видалити її з працюючих м'язів.

Показання для припинення навантажувального тестування:

Типовий приступ стенокардії; зниження АТ на 25-30% від початкового; підвищення АТ до 230/130 мм рт. ст. і більше; напад задухи або задишка з частотою дихання більше 30 в 1 хв; поява загальної різкої слабості;

виникнення симптомів церебральної недостатності (запаморочення, головний біль, нудота, порушення зору);

поява загрозливих порушень ритму; поява порушень атріовентрикулярної і шлуночкової провідності;

відхилення сегмента ST від ізолінії на 1 мм і більше; зменшення амплітуди зубця R на 50% і більше, зубця Т на 25% і більше порівняно з вихідною величиною; збільшення амплітуди зубця Т в грудних відведеннях в 3 рази і більше по відношенню до вихідної; збільшення амплітуди і тривалості зубця Q, освіта QS; відмова обстежуваного від подальшого проведення проби.

Навантаження у тестуванні повинні відповідати таким вимогам:

1. Навантаження повинні бути такими, щоб можна було точно виміряти виконану роботу та повторити її.

2. Повинна існувати можливість зміни інтенсивності навантаження (темп вправи) в потрібних межах.

3. У роботу повинна залучатися по можливості більша кількість м'язів. Таким чином забезпечується необхідна інтенсифікація системи транспорту кисню.

4. Тестове навантаження повинне бути досить простим. не вимагати високої координації рухів.

5. Перевагу слід віддати таким видам навантаження, при яких реєстрація показників можлива безпосередньо під час виконання фізичної роботи.

Методи та прилади для вимірювання біомеханічних характеристик
1. Соматометрія
Антропометрія -вимір основних фізичних показників людини - зважування, вимірювання довжини тіла, окружності грудей і живота,. основні показники дихання (спірометрія).
Фотограмметрія - обстежуваному пропонують прийняти природну, найбільш звичну, зручну позу стояння. Перед ним встановлюють кадрову рамку з горизонтальними і вертикальними поділками. Фотографують, і для графічного аналізу виготовляють фотознімки, на яких вимірюють відстань в сантиметрах між вісями тазу, нахил стегон по анатомічним осях відносно вертикалі, відстань між центрами колінних суглобів, нахил гомілок по анатомічним осях, кут фізіологічного вальгуса гомілок, відстань між центрами опори стоп.
Метод оптичної комп'ютерної топографії -дозволяє кількісно з високою точністю визначити координати будь якої анатомічної точки поверхні тіла.
2. Кінезіологічні методи -метод вивчення рухів людини шляхом послідовного фотографування (100 разів на секунду)
3. Електромеханічні методи -потенціометричні датчики перетворюють функцію механічного переміщення в аналоговий електричний сигнал
4. Клініко-фізіологічні методи
Калориметрія –реєстрація кількості теплоти, що виділяє людина у спеціальних калориметрических камерах.
Електроміографія -це метод, що допомагає досліджувати біоелектричну активність м'язів і нервів за допомогою концентричних голчастих електродів обо нашкірними електродами. Миография - єдиний спосіб, який може встановити точне місце пошкодження того чи іншого нерва, дати інформацію про причину паралічу, атрофії м'язів або підвищену нервову чутливістьі.

ЛЕКЦІЯ 2