Об управлении движениями человека

Динамическая устойчивость и биомеханическая целесообразность движений

До сих пор мы касались только частных физических (биомеханических) факторов, определяющих задачи координации движений. Рассмотрим теперь ряд вопросов, связанных с движением в целом.

Как мы указали во вступлении, любое произвольное движение содержит смысловую сторону. В данном случае под этим понимаются те цели, которые стоят перед движением.

Однако какова бы ни была смысловая сторона движения, она выполняется определенными мышечными синергиями, деятельность которых человек большей частью не улавливает. Его в первую очередь интересует качество выполнения движений. Это, в сущности, и составляет прикладную цель исследований по координации произвольных движений, исследований, связанных не только с теорией вопроса, но и с широким комплексом педагогических проблем (становление, совершенствование и перенос двигательных навыков).

Стремление определить биомеханические качества выполняемого движения и дать им определенную оценку привело нас к установлению понятия динамической устойчивости движения. Под ним мы понимаем настолько освоенное движение, что оно выполняется с минимальными мышечными затратами и протекает по устойчивым траекториям как в целом, так и в деталях. Устойчивыми же траекториями нужно считать такие, которые при многократном повторении легко воспроизводятся исполнителем с необходимой точностью в пространстве и времени.

Естественно, что до такого совершенства должен быть доведен любой двигательный навык (а вся теория вопроса должна служить именно этому). Для этого необходимо, чтобы все важнейшие реактивные силы, которые возникают в звеньях конечностей при выполнении данного движения, принимали прямое и положительное участие в нем (т. е. способствовали его правильному осуществлению). Это, в свою очередь, требует высвобождения всех необходимых степеней свободы и, наконец, точного соответствия мышечных усилий условиям, требуемым силовым полем движения. Данные условия должны быть соблюдены не только в начале движения, но и во всем его ходе.

Отсюда вытекает определение понятия координации движений в целом.

По Н. А. Бернштейну, «координация движения есть преодоление избыточных степеней свободы движущегося органа и превращение его в управляемую систему». Следует, однако, учесть, что речь идет не о фиксации избыточных степеней свободы, а именно об использовании их для самого движения.

Н. А. Бернштейн показал (1940), что для того, чтобы добиться динамически устойчивого движения (т. е. освоить новый навык), центральная нервная система последовательно осуществляет три ступени его регулирования в биомеханическом аспекте.

1-я ступень: начальная фаза освоения двигательного навыка. В кинематической цепи посредством мышечной фиксации связаны все основные излишние степени свободы с целью исключить реактивные силы, мешающие произвести движение хотя бы по приблизительно правильной траектории. Движение в целом — скованное и тяжелое.

2-я ступень: промежуточная фаза. После некоторого освоения движения ряд степеней свободы последовательно высвобождается, так как реактивные силы в целом меньше сбивают его, а мешающие гасятся короткими импульсами мышечных усилий. Само движение протекает легче и увереннее, чем на первой ступени.

3-я ступень: заключительная фаза. Окончательно освоенное движение использует не только мышечные усилия, но и реактивные силы соседних звеньев, базируясь на полном высвобождении требуемых степеней свободы.

В этом отношении освоение движения, в свою очередь, предъявляет центральной нервной системе ряд сложных задач, решение которых требует очень большой гибкости ее деятельности при становлении координации движений. В частности, очень важна биомеханическая целесообразность движений.

Этим термином мы обозначаем такие динамические составляющие структуры движений, которые, независимо от того, насколько они выражены, возникают вследствие необходимости выполнить движение наиболее выгодным образом. Такие составляющие часто и не осознаются лицом, выполняющим навык, но в той или иной форме существуют в структуре движения. Обнаруживаются они не всегда. Легче всего их можно проследить на таких навыках, которые осуществляются на максимальных нервно-мышечных напряжениях. Выше мы приводили один такой пример, рассматривая баллистические движения (удары по мячу). Однако при соответствующем анализе биомеханическая целесообразность мышечных напряжений и вообще динамических составляющих прослеживается даже на таких высокоавтоматизированных навыках, как ходьба.

На рис. 10 мы приводим кривую продольных слагающих ускорения общего центра тяжести системы голень+стопа, совмещенную по времени с положением этих звеньев в пространстве и с периодами биоэлектрической активности основных мышц, принимающих участие в выполнении одного шага обычной ходьбы. Наибольшая активность мышц ноги наблюдается в момент отталкивания стопой от опоры и совпадает по времени с началом развития волны ε. Это вполне очевидно. Однако интересно и другое. И в это мгновение и несколько перед ним, в момент вступления ноги в опору («передний толчок» — волна ηβ), активны не только те синергисты, которые закономерно обеспечивают отталкивание от опоры, но и казалось бы совершенно ненужные антагонисты. Дело в том, что нога, как мы уже неоднократно упоминали, — сложная кинематическая цепь, которая состоит из трех звеньев, соединенных между собой (в порядке первого приближения внутреннюю подвижность сочленений стопы можно не принимать во внимание). Эти сочленения используются для выполнения движений, связанных с переносом ноги из одного положения в другое. Однако в момент опоры, когда нужно выполнить два толчка — передний и задний, подвижность сочленений не только совершенно излишняя, но и попросту вредна. В момент развития решающих усилий (а их величина достигает до 40 кг) незакрепленная кинематическая цепь окажется неспособной передать усилия от стопы к корпусу и обратно. Она, образно говоря, «сломается». Очевидно, ее следует закрепить, превратить, так сказать, в единое целое, в своеобразную «колонну», которая способна при минимальных потерях осуществить оба решающих толчка. Для этого нужно «заклинить» все суставы. Но подобная «операция» выполнима только путем одновременной активности мышц, которые окружают эти суставы — и синергистов и антагонистов, что и имеет место, как показывает рис. 10, и в действительности. На этом же рисунке можно проследить и другое явление, которое связано с биомеханической целесообразностью движений — в момент развития реактивной волны α не замечается какая-либо активность всех записанных нами мышечных групп ноги. Это диктуется необходимостью не препятствовать инерционным, реактивным силам придавать бедру ускорение в нужном направлении, а возможно и последующей передаче этих усилий на голень.

Рис. 10. Совмещение кривой ускорений с биоэлектрической активностью мышц в обычной ходьбе человека (Ориг., 1958). Расположение периодов активности:
1 — икроножной мышцы; 2 — передней большеберцовой; 3 — двуглавой бедра; 4 — четырехглавой бедра

Очень важно отметить, что подобная биомеханическая целесообразность движений сопровождается и другим, не менее интересным, фактом — экономичностью мышечных усилий. Все это является результатом длительной тренировки и требует четкого соблюдения не только пространственных, но и временных параметров движений. Стоит их нарушить, как биомеханическая целесообразность и сопутствующая ей экономичность усилий могут утратиться.

На рис. 11 мы приводим характерный случай перехода от скупых мышечных затрат при выполнении достаточно автоматизированного движения на явно нерациональную активность мышц при сравнительно небольшом изменении только одного темпа движений (при сохранении остальных параметров) спортивного навыка — прямых скрещений на коне. Движение выполнялось квалифицированным спортсменом (кандидатом в мастера спорта). При отведении биотоков от второго брюшка правой и левой прямых мышц живота (см. верхнюю запись на рис. 11) активность этих мышц вполне закономерна — если движение гимнаста идет в правую сторону (положения 4, 5), более активна правая мышца, а если в левую (положения 11, 12, 13) — то левая. Но полной пассивности противоположной мышцы тоже не наблюдается. Она всегда немного участвует в движении; во-первых, по-видимому, несколько укрепляет противоположную сторону тела, а во-вторых, в момент выполнения самих скрещений (положения 1, 2 и 8, 9) на данной стороне довольно активно удерживает корпус. Эта вторая активность несколько меньше по амплитудам и продолжительности, чем основная.

Рис. 11. Биоэлектрическая активность второго брюшка правой и левой прямой мышцы живота при выполнении прямых скрещений на коне (по С. Д. Балиашвили, 1968)

Стоит однако гимнасту изменить привычный темп движений (например, перейти от выполнения со скоростью 78 махов в минуту на 96), как от четкой экономичности мышечных усилий почти ничего не остается. Активность мышц возрастает (см. нижнюю запись на рис. 11), и по записи биотоков даже нельзя определить, в какую сторону двигался гимнаст (по верхней части записей это можно установить и не обращаясь к приведенным для иллюстрации движения позам).

Кроме того, почти исчезает и дополнительная активность (положения 1, 2 и 8 и 9), столь характерная для привычного темпа выполнения движений. Корпус удерживается только инерционными силами. Налицо явная нецелесообразность выполнения навыка — общий расход мышечных ресурсов повысился, а в нужный момент (для удержания корпуса) активность необходимых мышц отсутствует.

Приведенные примеры достаточно ярко иллюстрируют понятие биомеханической целесообразности движений и значения его для правильного выполнения навыков. В последующем мы покажем, как это достигается в ходе становления и закрепления навыков человека.


Из всего изложенного ясно, что управление произвольными движениями человека (и высших животных) представляет собой очень сложную задачу из-за сложности и изменчивости силового поля движений, громадного количества степеней свободы, наличия реактивных сил, сложной взаимосвязи и, главное, неоднозначности связи между мышечным напряжением и результатирующим движением, ауксотоничности в работе мышц.

Речь идет о том, чтобы ряд принципиально самонеуправляющихся кинематических цепей превратить в управляемую систему. Естественно, что для решения этой задачи должен существовать тщательно дифференцированный аппарат, прошедший определенную школу эволюции и способный к выполнению любых вариантов, выдвигаемых жизнью.