Развитие биомеханики в XIX-XX вв.

К предыдущей странице




Количественные меоды исследования в биомеханике. Сфигмография и хронофотография

         Новый этап количественных исследований гемодинамики связан с изобретением сфигмографа. Первая модель сфигмографа была сконструирована Фирордтом (K.Vierordt) в 1855 году, а первые качественные сфигмограммы были получены в 1860 г. французским физиологом Мареем ( Etienne-Jules Marey 1830-1904) для артерий, а в 1905г. Фридрейхом Рис.. Первый сфигмограф Э.Марея. (N.Friedreich) для вен. Марей занимался вопросами физиологии кровообращения и биомеханикой движения человека и животных. Марей был пионером метода графической регистрации физиологических параметров, принципы которого изложены в его трудах "La machine animale", "La methode graphique dans les sciences experimentales" [Marey 1-3]. Он сконструировал сфигмограф, кардиограф, миограф, хронограф и выполнил с их помощью многочисленные исследования. Графический метод регистрации используется и в современной медицинской технике, включая современный кардиограф, прообразом которого явился прибор Марея. Регистрируя параметры сокращения скелетной и сердечной мускулатуры при электрической стимуляции, Марей обнаружил рефрактерный период – короткий промежуток времени после сердечного сокращения, в течение которого стимуляция не вызывала следующего сокращения. Марей сконструировал также платформу, позволяющую измерять силу, с которой стопа действует на опорную поверхность. Он впервые указал на возможность использования физических понятий энергии и работы при анализе локомоций и развил представление о запасании упругой энергии при растяжении мышц и сухожилий в ходе выполнения движения. При анализе кинематики движений Марей выполнял на одной и той же фотопластинке ряд последовательных снимков движений человека, экипированного в темный костюм с нанесенными на него контрастными метками (рис.). Впоследствии изображение обрабатывалось, а координаты меток в последовательные моменты времени служили для детального анализа локомоции (рис.). Результаты проведенных исследований изложены в труде «Аnimal mechanism: a treatise on terrestrial and aerial locomotion» (1874). Рис. «Человек в черном» Э.Марея и циклограммы меток головы и суставов. Рис. . Прибор Э.Марея для контактной записи параметров двигательного акта. Занимаясь изучением движений лошади и человека, полетом птиц и насекомых, Марей использовал изобретенный им принцип механической регистрации, который позволял получать важную количественную информацию, но требовал физического контакта движущегося тела и прибора (одографа, динамографа), ограничивал возможный диапазон движений и делал их ненатуральными (рис.). В 1879 году в журнале La Nature были опубликованы фотографии скачущей лошади, выполненные Эдвардом Муйбриджем (Eadweard Muybridge 1830-1904) с помощью серии фотокамер, расположенных вдоль пути движения лошади (рис.). По мере Рис. . Движения лошади в галопе. Фотографии Муйбриджа 1885г. Рис. .Последовательность выполнения спортивного движения. Фотографии Муйбриджа 1885г. движения по треку лошадь задевала нити, натянутые к затвору фотокамер, что приводило к срабатыванию затвора. Муйбридж сделал более 20000 фотографий движений человека, животных и птиц в движении отметил ряд закономерностей движения лошади [Marey 1-3].Он выполнял последовательные снимки различных спортивных и трудовых движений с целью их последующего анализа (рис.). Однако метод Муйбриджа не позволял измерять с достаточной точностью промежутки времени между снимками и исследовать кинематику движения количественно. Для этого Марей предложил использовать последовательные снимки, выполненные на фотопленке, которая протягивалась с постоянной скоростью через сконструированную им специальную фотокамеру. При этом промежуток времени между снимками фиксировался хронографом. Методика получила название хронофотографии и послужила одной из заметных вех в развитии не только биомеханики локомоций, но и кинематографа. Предложенная техника анализа движений легла в основу современных технологий Motion Capture (см.разд.20 П). Хронофотоаппарат Марея явился прообразом фоторужья и позволял выполнять 12 снимков с эспозицией 1/72 с. Выполненные Мареем серии снимков полета птиц были опубликованы в 1880г. и показали, что форма крыла меняется в зависимости от скорости полета и сопротивления воздуха [Марей 1875]. Эти результаты пробудили интерес Марея к исследованию биоаэродинамики полета и он построил аэродинамическую трубу, которую использовал для исследования влияния скорости набегающего потока на крыло при разных углах атаки. В своей трубе Марей также выполнил первые в истории фотографии турбулентных течений воздуха. Изобретение Марея оказало также огромное влияние на развитие механики и физики. Его прибор позволил фиксировать отдельные этапы опытов и наблюдений за физическими процессами, например, формированием воздушного пузыря (рис.), падением капли жидкости и другими. Рис. Киноциклограммы динамики мыльного пузыря, выполненные Люсьеном Буллом (Lucien Bull), 1906 г. Марей также сконструировал первое фоторужье (рис.) и выполнил серии последовательных снимков различных локомоций животных (рис.). Уже в начале 1880 года им опубликованы качественные снимки летящих птиц, выполнены масштабные исследования кинематики движения человека и четвероногих. Наблюдая за изменением профиля крыла птицы в отдельных фазах полета, Марей занялся исследованиями влияния формы крыла и сопротивления воздуха на скорость полета. В 1890-х годах он построил аэродинамическую трубу и сделал первые фотографии, фиксирующие турбулизацию потока [Braun 1994, Б+Е]. В 1875 г. Марей с помощью капиллярного электрометра зарегистрировал электрические потенциалы, создаваемые сердечной мышцей. В 1908 г. российский физиолог А.Ф. Самойлов применил это же устройство для регистрации электрических сигналов скелетных мышц. Рис. Фоторужье Э.Марея и пример записи киноциклограммы. Наглядные фотозаписи движений, выполненных Мареем, вдохновили многих исследователей на решение различных биомеханических задач. Н.Е.Жуковский в 1895 г. выступил на заседаниях Общества испытателей природы с докладами «Моментальные снимки Марея с падающих кошек» и «О приборе для объяснения поворота кошки при ее падении» [Домбровская]. Серии снимков о последовательных стадиях поворота тела кошки при падении и, в конечном счете, приземлении на лапы привели Жуковского к раздумьям о механизмах такого падения, в основе которых лежит изменение моментов инерции при последовательных поворотах верхней и нижней частей туловища. Ассистент Марея Demeny, выполняя графическую и хронофотографическую запись движений рабочих, спортсменов и солдат действующей армии, развил подходы, связанные с оптимизацией мышечных движений. Он полагал, что тренированное тело, выполняя привычные трудовые и спортивные движения, подсознательно выбирает наиболее экономичный путь, предупреждая при этом возможные повреждения опорно-двигательной системы. Результаты регистрации параметров движений и хронофотография позволили ему предложить методику обучения оптимальным движениям и сформулировать предложения по рациональной организации двигательной активности солдат. Американский ортопед Мортон (Dudley Joy Morton 1884-1960) исследовал закономерности развития и эволюцию ходьбы, переход к прямохождению [Dudley 1-4].

К следующей странице