Глава 1. История развития биомеханики

Биомеханика — одно из самых старых направлений естественных наук — биологии и физики. Ее истоками были работы Аристотеля и Галена, посвященные анализу движений животных и человека. Аристотель (384–322 гг. до н.э.) — выдающийся греческий ученый, предпринял первые попытки классификации движений животных и человека. Он пытался понять значение реакции опоры при ходьбе, считал целесообразным сгибание ноги в колене в фазу опоры, так как это позволяло уменьшить вертикальные колебания туловища. Аристотель может считаться первым биомехаником, так как написал трактаты «De Motu Animalium» — «Движения животных» и «On the Gait of Animals» — «Ходьба животных». Велик вклад в изучение функций организма человека Клавдия Галена (129–201 гг. н.э.) — анатома, врача и естествоиспытателя, который считается классиком античной медицины.

Однако только благодаря работам одного из самых блистательных людей эпохи Возрождения Леонардо да Винчи (рис. 1.1) биомеханика сделала свой следующий шаг, став экспериментальной наукой. Художник, инженер и ученый, Леонардо изучал строение человеческого тела в связи с движением. Он описал законы пропорций человеческого тела, механику тела при переходе из положения сидя к положению стоя, при ходьбе, прыжках и, по-видимому, впервые дал описание походок. Все его описания сопровождались математическими расчетами, описанием собственных опытов, рисунками и чертежами (рис. 1.2).

Рис. 1.1. Леонардо да Винчи (1452–1519)

Рис. 1.2. Пример рисунка Леонардо да Винчи («Тетради по анатомии»)

Изучая ходьбу, бег и другие движения человека, Леонардо да Винчи высказал мысль о необходимости использования достижений механики для их исследования. Он писал: «Наука механика потому столь благородна и полезна более всех прочих наук, что, как оказывается, все живые существа, имеющие способность к движению, действуют по ее законам». В анатомических исследованиях Леонардо да Винчи, обобщая результаты вскрытий, рассматривал организм как образец «природной механики». Леонардо да Винчи впервые описал функции некоторых костей и нервов, высказал новаторские предположения об антагонизме мышц.

Английский медик, анатом, основоположник физиологии и эмбрио­логии Уильям Гарвей (William Harvey, 1578–1657) занимался исследованиями кровообращения, и в 1628 г. опубликовал фундаментальный труд «Exercitatio anatomica de motu cordis et sanguinis in animalibus» («Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных»). В нем он впервые сформулировал свою теорию кровообращения и привел экспериментальные доказательства в ее пользу. Измерив величину систолического объема, частоту сокращений сердца и общее количество крови в теле овцы, Гарвей доказал, что за 2 мин вся кровь должна пройти через сердце, а в течение 30 мин через него проходит количество крови, равное массе тела животного. Отсюда следовало, что, вопреки утверждениям Галена о поступлении к сердцу все новых и новых потоков крови от вырабатывающих ее органов, кровь возвращается к сердцу по замкнутому циклу. Замкнутость же цикла обеспечивают мельчайшие трубочки — капилляры, соединяющие артерии и вены.

Гарвей был последователем ятрофизики (от др.-греч. ἰατρός — «врач» и «физика») — направления медицины, сводившего функционирование живого организма, как больного, так и здорового, к законам физики (в первую очередь к законам механики). Лечение болезни при ятрофизическом подходе представлялось прежде всего как ремонт механизма. Итальянский медик Джорджо Бальиви (1668–1707), к примеру, рассматривал человеческую руку как рычаг, грудную клетку — как кузнечный мех, а сердце — как насос. Подобных взглядов придерживался шведский профессор медицины Ларс Руберг (1664–1742), который исходил из того, что «человек есть машина» (лат. homo machina est): «человеческое сердце — насос, легкие — кузнечный мех, живот — корыто». Ятрофизика была распространена в XVI–XVIII вв., ее идеи развивали многие естествоиспытатели, в том числе Джованни Борелли, Андреас Везалий, Рене Декарт, Бернардино Рамаццини. На определенном этапе ятрофизика сыграла положительную роль в развитии медицины, поставив ее на естественно-научную основу.

Большое влияние на развитие биомеханики оказал итальянец Джованни Альфонсо Борелли (рис. 1.3) — врач, математик, физик. Своей книгой «О движении животных» он, по сути, положил начало биомеханике как отрасли науки. Он рассматривал организм человека как машину и стремился объяснить дыхание, движение крови и работу мышц с позиций механики. Борелли изучал с точки зрения механики условия равновесия человеческого тела, дал определение общего центра тяжести (ОЦТ) на основе экспериментальных данных (рис. 1.4).

Рис. 1.3. Джованни Альфонсо Борелли (1608–1679)