gototopgototop

УДК 377.1

Хронология развития научных исследований в эргономике и биомеханике

Овчинников Юрий Дмитриевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Биомеханика и информатика» Кубанского государственного университета физической культуры спорта и туризма.

Мещерина Анна Дмитриевна - студентка факультета Оздоровительных технологий специализации «Адаптивная физическая культура» Кубанского государственного университета физической культуры спорта и туризма.

Аннотация: Развивая научно-исследовательское направление «Биомеханика в проектных технологиях» студенты учились работать с информационными проектами, имеющими определенную структуру, сложность состояла в том, чтобы не только найти информацию, но и показать ее значимость, полезность, как для исследователя, так и для других участников учебно-исследовательского процесса. Исследование выступает как необходимый структурный компонент учебного процесса.

Ключевые слова: Хронология, научные исследования, биомеханика проектных технологий, информация, открытия, результаты, эргономика, биомеханика, учебный процесс.

Важной задачей формирования знаний по актуальной научной теме, проблеме является выстраивание хронологии развития научных исследований. Студенты считают этот аспект не важным, так как не понимают научной и практической его значимости. И более того не умеют работать с информацией изложенной в научной литературе [14,15]. Понимать смысл и содержательную часть научного термина необходимо еще и потому, что при проведении экспериментальных и научных исследований студенты увидят последовательность исследовательского процесса и его результативность. Развивая научно-исследовательское направление «Биомеханика в проектных технологиях» [9,10,11 ] студенты учились работать с информационными проектами, которые имеют определенную структуру, но сложность состояла в том, чтобы не только найти информацию, но и показать ее значимость, полезность, как для исследователя, так и для других. Пробудить информационный интерес к твоему информационному направлению оказалось сложной задачей. В тоже время задачу ставит преподаватель перед студентом и задачу в исследовании определяет сам студент-исследователь:

1. Проследить хронологию научных исследований развития эргономики и биомеханики и тем самым с одной стороны, не дать забыть современникам историю научных исследований [ 13 ], с другой стороны, увидеть какое место занимает научное изобретение в практической жизни человека[12 ].

2. Учиться осмысленно, работать с разными видами информации и использовать ее по назначению [ 10 ] . Большой объем информации и неумение структурировать ее остается главной проблемой получения теоретических знаний предмете. Более того важно показать в теоретической части материала важные элементы практического назначения для жизни и деятельности не только одного человека, а целой социальной группы или общества в целом. Поэтому для выполнения исследования использовались следующие методы описательный, хронологический, для того чтобы установить не только историческую принадлежность личности к событию, но и социальный результат научного исследования . Современная актуальная тема взаимосвязи эргономики и биомеханики в исторической и междисциплинарной взаимосвязи была разделена на несколько логических этапов:

1. этап - Появление научного термина. В 1857 г. польским естествоиспытателем В. Ястжембовским был введен термин «эргономика» [18] и новая наука начала интенсивно развиваться в разных странах мира.

2. этап - Выстраивание хронологии научных открытий. Прослеживание «жизни» термина в научных открытиях показывает социальную роль открытия в жизни и деятельности человека, важность и нужность открытия для жизнедеятельности. Развивая направление «Биомеханика в проектных технологиях», исследуя научную тему «Хронология развития научных исследований развития эргономики и биомеханики» студенты задались интересным вопросом «В чем полезность и вредность открытия?» И естественно возникает желание посчитать, сколько полезных и вредных открытий человек сделал сам для себя в той же биомеханике и эргономике:

1. Символической в этот период времени считалась фигура американского инженера Ф.У.Тейлора (F.W.Taylor 1856-1915), который предложил новую систему организации производства на основе рационализации трудовых движений и глубокого разделения труда .

2. Французский физиолог и специалист по эргономике Жюль Амар (Jules Amar 1879) проанализировал физические и физиологическое составляющие трудовых движений рабочих и сформулировал концепцию «человеческого мотора» («Le moteur humain» 1913). Вопреки исследованиям Тейлора, в ходе которых не использовались новейшие на тот момент методы анализа механики трудовых движений, а только хронометраж, в лаборатории Амара проводились масштабные исследования движений рабочих и походки человека с помощью хронофотографии и других эргономических приборов. Результаты исследований были изложены в книге «Organisation physiologique du travail» (1917), где проведены оценки эффективности движений, показано разнообразие кинематических схем их выполнения и изложено представление об «искусстве работы».

3. Ученый Амар сконструировал велоэргометр, соединив динамометр Марея с педальным устройством, респиратором и эргографом. Частота вращения педалей задавалась метрономом. В сочетании с хронофотографией, велоэргометр позволял получать целый ряд количественных параметров об энергетических затратах организма, проводить оценки эффективности движения, выявлять количественные признаки усталости, анализировать химический состав и скорость выдыхаемого воздуха, фиксировать отдельные кадры очень быстрых движений. Впоследствии вело эргометрические исследования проводились Амаром в сочетании с кардио- и сфигмографией [Brauer]. Проводя количественные исследования походки инвалидов на протезах конечностей, Амар предложил новую методику расчета трех компонент сил и вращающих моментов в отдельных кинематических звеньях тела, разработал комплекс реабилитационных мероприятий по обучению пользования протезом, при котором инвалид становился активным участником творческого процесса оптимизации движения и снижения энергозатрат.

4. Американские исследователи супруги Лилиан и Франк Гилбрет (Lillian 1878-1972 и Frank Gilbreth 1868-1924) провели детальные исследования условий труда, устройства рабочего места, структуры трудовых движений каменщиков. В результате были предложены усовершенствования, позволившие снизить число движений, приходящихся на укладку одного кирпича с 18 до 4,5 [Gilbreth 1909]. При исследованиях использовались запись трудовых движений на кинопленку и детальный хронометраж, а дальнейший анализ был связан с разделением движений на отдельные функциональные блоки, для обозначения которых был введен термин therbligs (фамилия автора, прочитанная справа налево). Помимо оценок времени выполнения отдельных блоков, никакие биомеханические параметры не оценивались. Полученные результаты позволили оптимизировать рабочие места, уменьшить двигательную нагрузку и затраты энергии на выполнение движений для представителей разных профессий и инвалидов [Gilbreth 1920]. Идеи рациональной организации повторяющихся движений были использованы для создания эргономичного жилья для людей с различными недомоганиями. Для обустройства кухни – постоянного рабочего места домохозяйки.

5. Эргономические исследования в России связаны с именем Алексея Капитоновича Гастева (1882-1941) - русского ученого и поэта, перу которого принадлежат труды по эргономике и рациональной организации и культуре труда («Как надо работать» 1921, «Трудовые установки» 1924). Он был основателем и руководителем Центрального института труда (ЦИТ, 1921 г.), в стенах которого изучались трудовые движения в производственных процессах и организация рабочего места. Важнейшей задачей считалось изучение организма человека как «живой машины» и влияния на ее «функционирование» различных условий (психоэмоциональные факторы, усталость, слуховые и звуковые анализаторы). Проводились лабораторные исследования и эксперименты по биомеханике, выделялись и тренировались отдельные типы движений, создавалась методика быстрого и массового, в духе того времени, обучения трудовым приемам. Проводился анализ кинематики трудовых движений на основе использования специальных камер с «системой координат» , траектории движения тени по стене и фотоснимков. Были выделены типы трудовых движений (ударные и нажимные) и составленные из них последовательности «двигательных цепочек» [2].

6. Русский физиолог В.В.Воронин (1870-1960) исследовал и движение клеток (хемотаксис), и механику сердечно-сосудистой системы, и теплоотдачу организмов.

7. Особенно нужно выделить исследования Н. А. Бернштейна (1896 -1966), который не только заложил систематические основы современной науки об организации движений, но и создал первое научное учреждение, специализированное в области биомеханики. Однако это не меняло общей картины - биомеханика не еще существовала в качестве самостоятельной науки. Уже в 20-е годы текущего столетия биомеханика (обычно под другими названиями) включалась в энциклопедии по механике [1,4 ].

3 этап - Возникновение биомеханики как самостоятельного научного направления. Но как самостоятельное научное направление на пересечении современной механики, биологии и других дисциплин биомеханика возникла в последние 20-30 лет [3,Раздел «Биомеханика: проблемы и исследования» с.233-245;Раздел « Медицинская биомеханика» т.4,с.646-671; Раздел «Достижения биомеханики в медицине» с.39--59; 16]. Интерес к проблемам механики, связанным со строением и функционированием живых систем. И этот интерес не в последнюю очередь был обусловлен чисто практическими нуждами, связанными с необходимостью более адекватных и детальных знаний о строении и функции организма человека, как в норме, так и при заболеваниях, с тем, чтобы иметь возможность проводить различные медицинские исследования. В середине XX в. на смену разрозненным, часто описательным работам в области биологической механики, пришли систематические исследования с привлечением самых современных физических методов и вычислительных машин. Механика, накопившая опыт исследования нетрадиционных для нее процессов с участием химических реакций, электромагнитных эффектов и т.д. в приложениях к проблемам химической технологии, термоядерного синтеза, космических полетов и т.д., созрела для изучения живого. В этом созревании важную роль сыграли достижения в общей теории сплошных сред, в численных методах решения сложных задач, в создании новых эффективных математических методов и методов эксперимента. Биология, в свою очередь, в разных своих областях стала выходить за привычные рамки и использовать математические методы - сначала для обработки результатов опытов, а затем и как аппарат для построения моделей биологических процессов. Представление о том, что механические процессы и свойства важны уже на клеточном и субклеточном уровнях возникло в связи с гипотезой, высказанной русским биологом Н. К. Кольцовым (1872-1940), который провел серию экспериментов по исследованию движения и свойств жгутиков сперматозоидов и увидел наличие в клетке скелетоподобные структуры. В 1934 г. был создан первый в СССР отдел биомеханики при Всеукраинском институте ортопедии и травматологии (Харьков, Украина). В состав отдела вошли вначале всего три сотрудника – Лев Петрович Николаев (1898-1954), Ольга Викторовна Недригайлова-Николаева (1898-1972) и Николай Петрович Новаченко (1898-1966). По заданию Наркомата здравоохранения проводились антропометрические измерения, разрабатывались научные принципы создания рациональной обуви[ 6 ]. В результате исследований были разработаны новые методики ортопедических операций [5,6,7 ]. В послевоенные годы (1947, 1950, 1954) Л. П. Николаев выпустил трехтомный труд "Руководство по биомеханике в применении к ортопедии, травматологии и протезированию", который положил начало знакомству ортопедов страны с основами биомеханики [ 8 ].

4 этап- новый этап развития биомеханики опорно-двигательной системы начался после второй мировой войны (1939-1945), когда многие тысячи инвалидов нуждались в реабилитации, разработке разных типов протезов и специальных биомеханических приспособлений. С именем американского физиолога Верна Инмана (Verne Thompson Inman, 1905-1980) связана организация масштабной междисциплинарной программы по исследованию физиологии, электрофизиологии и биомеханике ОДС и протезированию. В ходе работы предполагалось создание биоуправляемого протеза, по внешнему виду максимально приближенного к утраченной конечности, позволяющего выполнять разный набор движений. Результаты многолетних исследований позволили сформулировать утверждение, что двигательный акт наиболее эффективен, если в ходе его выполнения вертикальные и латеральные перемещения центра масс тела минимальны. Этот принцип был взят за основу для дифференцирования нормальных и патологических состояний ОДС [Inman 1981]. Вместе с Дэвисом Ховардом (Howard Davis Eberhart, 1906-1993) и Чаком Радклиффом (Chuck Radcliffe) Верн Инман организовал группу по исследованию протезов и имплантатов на инженерном факультете Калифорнийского университета Беркели, которая в 1957 г. стала лабораторией биомеханики. Здесь проводились исследования регенерации, закономерностей формирования аорты и сердца, появление патологий развития, биомеханики сочленений верхней и нижней конечностей, особенностей и причин нормальной и патологической походки [Saunders 1953, Bresler 1950] (Verne Inman, John Saunders (1903-1991), Boris Bresler (1919-2000)), развиты методы гониометрии [Lamoreux 1970] (Larry Lamoreux , 1936). В 1953 г. появилась теория скользящих нитей, лежащая в основе современных представлений о мышечном сокращении. Ее автор, внук известного биолога Томаса Гексли (Tomas Huxley) английский физиолог Андри Хаксли (Andrew Huxley, 1917), исследовавший ионные механизмы генерации электрического импульса в нейронах и роль поперечных мостиков при скольжении нитей, за создание этой теории был удостоен (совместно с А.Л.Ходжкином и Дж.Эклсом) Нобелевской премии (1963 г). Впоследствии приложения его теории провели к созданию методов рентгеновской дифракции и электронномикроскопических методов, позволивших понять молекулярную механику мышечного сокращения (см.пп.4,10). В работах Хью Хаксли (Hugh Esmor Huxley, 1924) было обнаружено существование двух типов нитей (толстых и тонких) в структуре миофибрилл и заложены основы молекулярной механики мышечного сокращения [Huxley 1969][17]. В 1954 г. японский хирург-ортопед И.Ясуда (Iwao Yasuda) предположил, что кость может являться пьезоэлектрическим материалом, в котором при механическом нагружении появляется электрический сигнал, стимулирующий рост кости в определенных направлениях в соответствии с законом Вольфа. Он продемонстрировал пьез эффект в кости в ряде экспериментов, а в 1955 году стимулировал рост костей при наложении внешнего электрического поля у подопытных животных[3 ]. Затем совместно с другим японским исследователем Э.Фукадой (Eiichi Fukada) он показал, что источником пьез эффекта в костях и сухожилиях являются коллагеновые волокна. Впоследствии наличие пьезоэлектрических свойств было обнаружено и в других тканях, содержащих коллаген. В 1967 г. состоялся первый Международный Семинар по биомеханике (Цюрих, Швейцария), под эгидой ЮНЕСКО и Международного спорткомитета, который к 1975 г. перерос в Международный конгресс по биомеханике. Следует отметить,что первые обсуждались научные проблемы и достижения спортивной и клинической биомеханики, эргономики, механики опорно-двигательной системы и локомоций. На первом конгрессе по биомеханике было образовано Международной общество биомехаников (International Society of Biomechanics, ISB).

Информационные проекты расширяют кругозор студентов, позволяют проявить творческое «Я» в отличие от реферата и собрать полный объем информации по проблеме, теме, направлению. Более того дух здоровой конкуренции побуждает анализировать и сравнивать исторические факты, дискутировать по разным вопросам, осмысленно подходить к самостоятельной работе полученной по профильному предмету.

Список литературы

1.Бернштейн Н. А. Очерки о физиологии движений и физиологии активности./ Н.А. Берштейн — М., 1966.-146с.

2. Гастев А.К. Гастев Алексей Капитонович. Биография: [Электронный ресурс]. URL:hrono. Ru /biograf / bio g/gastev ak... копия (Дата обращения 15.07.2014)

3. Истрия биомеханики. [Электронный ресурс]. URL: theormech. univer. kharkov.ua... (Дата обращения 15.07.2014)

4. Левин В. Человек, разгадавший тайну живого движения // Наука и жизнь. - 2005. - В. 5.

5. Николаев Л. П. Костные заболевания в доисторическом периоде // Ортопедия и травматология. Всеукраинский государственный институт ортопедии и травматологии Наркомздрава УССР. - Х., 1935.

6. Николаев Л. П. Руководство по биомеханике в применении к ортопедии, травматологии и протезированию. - К.: Государственное медицинское изд-во УССР, 1947.

7. Николаев Л. П. Руководство по биомеханике в применении к ортопедии, травматологии и протезированию (часть вторая). - К.: Государственное медицинское изд-во УССР, 1950.

8. Николаев Л. П. Физическое развитие детей-украинцев школьного возраста // Материалы по антропологии Украины. Сб. 1. - Х., 1926.

9. Овчинников Ю. Д. Биомеханика в проектных технологиях [Текст]/ Ю. Д. Овчинников // Физическая культура, спорт - наука и практика.- 2013.- № 3. С. 32-35.

10. Овчинников Ю. Д. Проектные технологии: создание уровневой системы.[ Текст]/ Ю. Д. Овчинников // Альманах современной науки и образования. Тамбов: Грамота, 2013. № 7. С. 115-117.

11. Овчинников Ю. Д. Логико - компетентностный подход: общекультурные и профессиональные компетенции. [Текст] / Ю. Д. Овчинников// Гуманитарные, социально - экономические и общественные науки. 2013. - № 5.- С. 144 - 147.

12. Овчинников Ю. Д. Эргономическая биомеханика для оборудования рабочего места [Текст] / Ю. Д. Овчинников, Е. О. Чоп // Молодой ученый. - 2014. - № 8. С.393-395.

13. Овчинников Ю. Д. Биомеханика в историческом контексте современных проблем [Текст] / Овчинников Ю.Д //Наука 21 века: вопросы, гипотезы, ответы. Таганрог. Центр научной мысли № 1,2014.С.14-19.

14. Овчинников Ю. Д. Методология развития практических заданий в профильных дисциплинах [Текст] / Овчинников Ю. Д // Междисциплинарный ежемесячный научно-практический журнал «Апробация». 2014 - № 1. С. 82-84.

15. Овчинников Ю.Д. Теоретические и методологические проблемы современного образования: Материалы XVI Международной научно-практической конференции 25-26 марта 2014 г. / Науч. - инф. издат. центр «Институт стратегических исследований» - Москва: Изд-во «Спец. книга», 2014. С. 218-220.

16. Регирер С.А. Лекции по биологической механике./С.А.Регирер Ч. 1. – М.: Изд-во МГУ, 1980. – 144 с.

17. Химический каталог. Биохимия. Том 3. с 124. [Электронный ресурс ]. URL: ximicat.com/ebook.php?file... копия (Дата обращения 15.07.2014).

18. Ястжембовский В. Ястжембовский Польшоор: Үндэстний нэвтэрхий толь. [Электронный ресурс]. URL:mongol.undesten.mn/wiki/show... копия (Дата обращения 15.07.2014).

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail

Отправить статью

...

Форма оплаты

Номер статьи, присвоенный редакцией
Количество страниц в статье
Количество экземпляров журнала
Доставка: РФСНГ
Скидка (%)
Заказать свидетельство о публикации
1. Стоимость публикации каждой страницы статьи составляет 200 рублей.
2. Стоимость каждого экземпляра журнала, включая его печать и доставку, составляет 350 рублей для России и 420 рублей для стран СНГ.
3. Стоимость свидетельства о публикации составляет 120 рублей

Реквизиты для оплаты через банк