История Биомеханики


HYPERLINK "http://theormech.univer.kharkov.ua/biomech/bhistory.html" http://theormech.univer.kharkov.ua/biomech/bhistory.html
ИСТОРИЯ БИОМЕХАНИКИ

Содержание

Античная наукаМеханика и медицина в эпоху ВозрожденияЭпоха зарождения и становления механикиЯтромеханика: начало истории биомеханикиПервые печатные труды по биомеханикеМикроскопия и развитие экспериментальных методов исследования живогоРазвитие ортопедиии и биомеханики движенийОт Ньютона до Эйлера: период интенсивного развития механикиРазвитие представлений о мышцах и локомоцияхВек Просвещения – век электричестваБиомеханика: приложения и отдельные направленияМеханика кровообращенияРазвитие биомеханики в XIX-XX вв.Количественные меоды исследования в биомеханике. Сфигмография и хронофотографияХХ век: биомеханика как самостоятельный раздел науки. Развитие теории и приложенийЭргономика как раздел современной биомеханикиБиомеханика: современный этап развитияСписок использованной литературыАнтичная наука

        Исследования в области биомеханики имеют столь же древнюю историю, как и исследования по биологии и механике. Исследования, которые по современным понятиям относятся к области биомеханики, были известны еще в древнем Египте. В знаменитом египетском папирусе ( HYPERLINK "http://www.touregypt.net/edwinsmithsurgical.htm" The Edwin Smith Surgical Papyrus, 1800 лет до н.э.) описаны различные случаи двигательных повреждений, в том числе паралич вследствие дислокации позвонков, проведена их классификация, даны методы лечения и прогноз.         Сократ, живший ок. 470-399 гг. до н.э., учил, что мы не сможем постигнуть окружающий мир, пока не постигнем нашу собственную природу. Древние греки и римляне многое знали о магистральных кровеносных сосудах и клапанах сердца, умели прослушивать работу сердца (например, греческий врач Аретей во 2-м веке до н.э.) [БСЭ.т.2.с.414-415].  HYPERLINK "http://www.krugosvet.ru/articles/27/1002778/1002778a1.htm" Герофил из Халцедока (3 в. до н.э.) различал среди сосудов артерии и вены.         Отец современной медицины древнегреческий врач Гиппократ провел реформу античной медицины, отделив ее от методов лечения заклинаниями, молитвами и принесением жертвы богам. В трактатах "Вправление сочленений", "Переломы", "Раны головы" он провел классификацию известных в то время повреждений опорно-двигательной системы и предложил методы их лечения, в частности механические, с помощью тугих повязок, вытяжения, фиксации[Бородулин, История медицины]. По-видимому, уже в то время появились первые усовершенствованные протезы конечностей, которые служили в том числе для выполнения отдельных функций. Во всяком случае, у Плиния Старшего есть упоминание об одном римском командующем, который участвовал во второй Пунической войне (218-210 в.до н.э.). После полученной раны ему была ампутирована правая рука и заменена железной. При этом он мог протезом удерживать щит и участвовал в битвах.         Платон создал учение об идеях – неизменных умопостигаемых прообразах всех вещей. Анализируя форму человеческого тела, он учил, что «боги, подражая очертаниям Вселенной … включили оба божественных круговращения в сферовидное тело … которое мы ныне именуем головой». Устройство опорно-двигательной системы понимается им так: «чтобы голова не катилась по земле, всюду покрытой буграми и ямами … тело стало продолговатым и, по замыслу бога, сделавшего его подвижным, произрастило из себя четыре конечности, которые можно вытягивать и сгибать; цепляясь ими и опираясь на них, оно приобрело способность всюду продвигаться…». Метод рассуждений Платона об устройстве мира и человека построен на логическим исследовании, которое «должно идти таким образом, чтобы добиться наибольшей степени вероятности» [Платон].         Великий древнегреческий философ Аристотель, сочинения которого охватывают практически все области науки того времени, составил первое подробное описание строения и функций отдельных органов и частей тела животных [Аристотель, 1937] и заложил основы современной эмбриологии [Аристотель, 1940]. В возрасте семнадцати лет Аристотель, сын врача из Стагиры, пришел в Афины учиться в Академии Платона (428-348 гг.до н.э.). Пробыв в Академии двадцать лет и став одним из самых близких учеников Платона, Аристотель оставил ее только после смерти учителя. Впоследствии он занялся анатомией и исследованием структуры животных, собирая разнообразные факты и проводя эксперименты и вскрытия. Многие уникальные наблюдения и открытия были им сделаны в этой области. Так, Аристотель впервые установил биение сердца куриного эмбриона на третий день развития, описал жевательный аппарат морских ежей («Аристотелев фонарь») и многое другое [Аристотель, 1937]. В поисках движущей силы кровотока, Аристотель предложил механизм движения крови, связанный с ее нагреванием в сердце и охлаждением в легких: «движение сердца похоже на движение жидкости, которую заставляет кипеть теплота». В своих трудах «О частях животных», «О движении животных» («De Motu Animalium»), «О происхождении животных» Аристотель впервые рассмотрел строение тел более 500 видов живых организмов, организацию работы систем органов, ввел сравнительный метод исследования. При классификации животных он разделил их на две крупные группы - имеющих кровь и бескровных. Это деление сходно с существующим ныне делением на позвоночных и беспозвоночных животных. По способу перемещения Аристотель выделил также группы двуногих, четвероногих, многоногих и безногих животных. Он первый описал ходьбу как процесс, в котором вращательное движение конечностей преобразуется в поступательное движение тела, впервые отметил несимметричный характер движения (опора на левую ногу, перенос тяжестей на левом плече, свойственные правшам). Наблюдая за движениями человека, Аристотель заметил, что отбрасываемая фигурой тень не стене описывает не прямую, а зигзагообразную линию. Им выделены и описаны органы, различные по структуре, но одинаковые по функциям, например, чешуя у рыб, перья у птиц, волосяной покров у животных. Аристотель исследовал условия равновесия тела птиц (двуногая опора). Размышляя о движении животных, он выделил двигательные механизмы: «…движущее при помощи органа есть то, у чего начало совпадает с концом, как в сочленении. Ведь в сочленении имеется выпуклое и полое, одно из них – конец, другое – начало…одно покоится, другое движется … Все движется через толчок или натяжение»[Аристотель, 1976]. Аристотель первым описал легочную артерию и ввел термин «аорта», отметил корреляции структуры отдельных частей тела, указал на взаимодействие органов в организме, заложил основы учения о биологической целесообразности и сформулирован «принцип экономии»: «что природа отнимает в одном месте, то дает в другом». Он впервые описал различия в структуре кровеносной, дыхательной, опорно-двигательной систем разных животных и их жевательного аппарата [Аристотель, 1937б 1940]. В отличие от своего учителя, Аристотель не рассматривал «мир идей» как нечто внешнее по отношению к материальному миру, а ввел «идеи» Платона в качестве составной части природы, ее основного начала, организующего материю. Впоследствии это начало трансформируется в понятия «жизненной энергии», «животных духов».         Великий древнегреческий ученый Архимед заложил основы современной гидростатики своими исследованиями гидростатических принципов, управляющих плавающим телом и исследованиями плавучести тел. Он первым применил математические методы к изучению задач механики, сформулировав и доказав ряд утверждений о равновесии тел и о центре тяжести в виде теорем. Принцип рычага, широко использовавшийся Архимедом для создания строительных конструкций и военных машин, станет одним из первых механических принципов, примененным в биомеханике опорно-двигательной системы. В трудах Архимеда содержатся идеи о сложении движений (прямолинейного и кругового при движении тела по спирали), о непрерывном равномерном приращении скорости при ускорении тела, которые впоследствии Галилей назовет как основу своих фундаментальных трудов по динамике [Григорьян, 1974].         В классическом труде «О частях человеческого тела» знаменитый древнеримский врач Гален дал первое в истории медицины целостное описание анатомии и физиологии человека. Эта книга прослужила учебником и настольной книгой по медицине в течение почти полутора тысяч лет. Гален положил начало физиологии, делая первые наблюдения и эксперименты на живых животных и изучая их скелеты. Он ввел в медицину вивисекцию – операции и исследования на живом животном с целью исследования функций организма и разработки методов лечения заболеваний. Он обнаружил, что в живом организме мозг контролирует рече- и звукообразование, что артерии заполнены кровью, а не воздухом и, как мог, исследовал пути перемещения крови в организме, описал структурные различия артерий и вен, обнаружил клапаны сердца. Гален не проводил вскрытий и, возможно, поэтому в его труды попали неверные представления, например, об образовании венозной крови в печени, а артериальной – в левом желудочке сердца. Он не знал также о существовании двух кругов кровообращения и значения предсердий. В своем труде «De motu musculorum» он описал различие между моторными и сенсорными нейронами, мышцами-агонистами и антагонистами, впервые описал тонус мышц. Причиной мышечного сокращения он считал «животные духи», поступающие из мозга в мышцу по нервным волокнам [БМЭ/медицина]. Исследуя организм, Гален пришел к убеждению, что в природе ничто не излишне и сформулировал философский принцип о том, что, исследуя природу, можно прийти к пониманию замысла бога. В эпоху средневековья, даже при всевластии инквизиции, было сделано очень многое, особенно в анатомии, что впоследствии послужило основой дальнейшего развития биомеханики.         Свое особое место в истории науки занимают результаты исследований, осуществлявшихся в арабском мире и в странах Востока: свидетельством тому служат многие литературные произведения и медицинские трактаты. Арабский врач и философ Ибн Сина (Авиценна) заложил основы рациональной медицины, сформулировал рациональные основания для постановки диагноза на основании обследования пациента (в частности, анализа пульсовых колебаний артерий). Революционность его подхода станет понятной, если вспомнить, что в то время западная медицины, восходившая к Гиппократу и Галену, учитывала влияние звезд и планет на вид и ход течения болезни и выбор терапевтических средств [Петров, 1979].
Механика и медицина в эпоху Возрождения
      
  Начало XV века связано с интенсивным развитием механики, вначале в Италии, а затем в других странах Европы. Основные положения этой науки и новый круг задач были сформулированы и решены в работах Леонардо да Винчи, Коперника и Галилея. Основы современной теории механизмов, революционный переворот во взглядах на устройство вселенной, становление динамики как раздела механики, взгляды на роль математики как ключа к познанию тайн природы связаны с этими именами.         Гениальным итальянским живописцем, скульптором, архитектором, инженером Леонардо да Винчи были выполнены первые исследования по биологической механике. Он сформулировал подход, согласно которому опыт имеет решающее значение в познании природы. По мнению создателя термина «биомеханика» известного актера и режиссера В.Э.Мейерхольда, Леонардо да Винчи поставил «изучение книги о началах механики как работу, необходимо предшествующую исследованиям законов перемещения тел или иных подвижных частей человека и животных…» [Мейерхольд, 1968]. Леонардо исследовал движения человека, полет птиц, работу сердечных клапанов, движение растительного сока. В полете птиц он выделил машущий полет и парение и пытался объяснить появление сил, поддерживающих полет птиц при взмахе крыльев через уплотнение воздуха. Птицу он рассматривает как «действующий по математическим законам инструмент» [Леонардо да Винчи, 1995]. Леонардо считал, что наука о движении птиц в воздухе должна быть основана на науке «о ветрах, которую докажем посредством движений воды» и отмечает, что «Плавание показывает способ летания и показывает, что тяжесть, имеющая более широкую поверхность, большее оказывает сопротивление воздуху». Он проводил многочисленные исследования на тушках птиц с целью определения центра тяжести тела при различных положениях крыльев и хвоста, пытаясь понять, какие движения тела в полете могут быть вызваны изменением положения хвоста и крыла. Он также подробно описал влияние направления и силы ветра на тактику полета различных птиц и проводил анализ движений с точки зрения расположения центра тяжести и действующих сил [Леонардо да Винчи, 1995]. Он описал механику тела при положении стоя и подъеме из положения сидя, ходьбе в гору и под гору, технику прыжка, впервые описал разнообразие походок людей с разным телосложением, выполнил сравнительный анализ походки человека, обезьяны и ряда животных, способных к двуногой ходьбе (медведя). Во всех случаях особое внимание уделялось положению центров тяжести и сопротивления. В механике Леонардо да Винчи впервые ввел понятие сопротивления, которое оказывают жидкости и газы движущимся в них телам и первый понял важность нового понятия - момента силы относительно точки – для анализа движения тел. Анализируя силы, развиваемые мышцами и имея превосходные познания в анатомии, Леонардо вводил линии действия сил вдоль направления соответствующей мышцы и тем самым предвосхитил представление о векторном характере сил. При описании действия мышц и взаимодействия систем мышц при выполнении движения Леонардо рассматривал шнуры, натянутые между точками крепления мышц. Для обозначения отдельных мышц и нервов он использовал буквенные обозначения. В его работах можно найти основы будущего учения о рефлексах. Наблюдая сокращения мышц, он отметил, что сокращения могут происходить непроизвольно, автоматически, без сознательного контроля. Все наблюдения и идея Леонардо старался воплотить в технических приложениях, оставил многочисленные чертежи устройств, предназначенных для разного рода перемещений, от водных лыж и планеров до протезов и прообразов современных колясок для инвалидов (всего более 7 тысяч листов рукописей) [Леонардо да Винчи, 1995; Тикотин, 1957]. Леонардо да Винчи проводил исследования звука, генерируемого при движении крыльев насекомых, описал возможность изменения высоты звука при надрезании крыла или смазывании его медом. Проводя анатомические исследования, он обратил внимание на особенности ветвления трахеи, артерий и вен в легких, а также указал, что эрекция является следствием притока крови к половым органам. Он выполнил пионерские исследования филлотаксиса, описав закономерности листорасположения ряда растений, изготовлял отпечатки сосудисто-волокнистых пучков листьев и исследовал особенности их строения.         Основоположник современной анатомии врач Андрей Везалий одним из первых начал исследование анатомии человека путем выполнения вскрытий. В фундаментальном прекрасно иллюстрированном трактате «О строении человеческого тела» (1543 г., в 7 книгах) он сделал научное описание строения, функции и взаимного расположения основных органов и систем организма, указав на многочисленные ошибочные данные, содержавшиеся в имевшихся в то время руководствах, в том числе трудах Галена. Выполнив многочисленные вскрытия, Везалий убедился, что в женском и мужском организме содержится 12 пар ребер, иногда 11 или 13, но не наблюдается того различия в их числе, которое лежит в основе мифа о сотворении женщины из одного ребра мужчины. Он также не обнаружил в теле человека той особой несгораемой косточки, благодаря которой, как утверждала церковь, человек воскреснет и предстанет на Страшном суде. Не обнаружил он и кости в сердце человека, за которую, возможно, Гален принял жесткий фиброзный скелет сердца, который встречается у животных. Везалий выполнял опыты по перевязке артерий и вен, исследовал сокращение рассеченных мышц, выполнял прижизненные наблюдения работы сердца и легких, описал перемещение ликвора в желудочках как «водопровод мозга», отметил сходство сердечной мышцы и скелетной мускулатуры, связал перемещение содержимого кишечника с работой мышц в стенках желудка и кишечника, понял функцию синовиального сустава и заполняющей его жидкости. Он отнес сухожилия к связкам, а не к нервам, как считали в то время многие анатомы, перечислил различные виды связок. Везалий первый ввел в анатомические руководства обширные таблицы с названиями мышц, выполнил рисунки, описывающие сокращение мышц при разных видах движений, выделяя работу мышц-антагонистов, дал классификацию мышц по форме и функциям. За свои революционные выводы и выполнение вскрытий Везалий неоднократно подвергался гонениям со стороны церкви и сторонников канонизации учения Галена [История медицины, 1954].         Работы французского натуралиста Пьера Белона по сравнительной систематике скелетов птиц и человека легли в основу современной эмбриологии и сравнительной анатомии. После длительного путешествия (1546-1548) по странам Средиземноморья, предпринятого с целью исследования фауны и флоры, он опубликовал результаты наблюдений в трудах «L'histoire naturelle des stranges poissons marins» (1551, "Natural History of Unusual Marine Fishes"), «Les Observations de plusieurs singularitez et choses memorables» (1553, "Observations of Several Curiosities and Memorable Objects"), «L'histoire de la nature des oyseaux» (1555, "Natural History of Birds"). Придерживаясь системы классификации животных, введенной Аристотелем (в частности, животные делились на имеющих и не имеющих кровь), Белон описал 113 видов водных животных и, проведя сравнительные исследования более 200 скелетов птиц, впервые установил гомологию строения костей позвоночных [Лункевич, 1990; Encyclopedia Britannica]. Позже сравнительно-анатомические исследования, обосновывающие единство принципов строения черепа позвоночных будут выполнены известным английским биологом и соратником Чарльза Дарвина Томасом Хаксли.
Эпоха зарождения и становления механики
       
 В конце XVI – начале XVII века зародилась современная механика, отцом которой считается итальянский естествоиспытатель Галилео Галилей. Галилей обучался в медицинской школе, где прослыл упрямым и неуступчивым, поскольку никогда не соглашался принимать на веру сказанное профессорами, требуя, чтобы каждый факт был обоснован и доказан. За это он получил прозвище «спорщик», его отношение к обучению и науке было расценено как недопустимое и юноше пришлось покинуть школу. В возрасте 25 лет он возвращается в Пизу и преподает математику, а затем становится профессором математики в университете Падуи. Галилей сформулировал законы инерции, свободного падения, движения по наклонной плоскости и законы сложения движений, тем самым заложив основы современной механики. Он занимался также исследованием движений наземных животных. Изучив законы колебания математического маятника, Галилей использовал его для измерения частоты пульса. В качестве количественной меры пульса он предложил использовать длину нити маятника, колебания которого совпадали с частотой колебаний пульса обследуемого пациента [Fung, 1993]. Таким образом можно было сопоcтавлять пульсы разных людей, а также контролировать пульс пациента в ходе лечения. Галилей выполнил первые исследования прочности балок. На основании многолетних исследований он сделал ряд важных для развития биомеханики выводов. Он отметил, что увеличение массы животных непропорционально их размеру. С ростом массы увеличивается механическая нагрузка на кости, поэтому должна увеличиваться не столько длина кости, сколько ее поперечное сечение. Подобные аллометрические закономерности лежат сейчас в основе сравнительной биомеханики животных, включая вымерших (см. разделы 25, 30). Он отметил возможность морским животным иметь большую по сравнению с наземными животными массу, потому что обитание в воде компенсирует избыток их веса. Галилей также заметил, что трубчатые кости полые, что способствует облегчению их веса и увеличению относительной прочности на изгиб в расчете на единицу веса по сравнению со сплошными балками. Галилей изобрел термоскоп - прибор, регистрирующий изменения температуры, а в 1609 г. предложил схему микроскопа, в том виде, в каком она используется по сей день [Fung, 1968]. Важный вклад Галилея в современную науку состоит в разработанном им научном методе, состоящем в критическом подходе к анализу фактов, постановке воспроизводимых экспериментов, определении причины наблюдаемого явления и объяснения его. Он также настаивал на математической формулировке физических законов. Открытые Галилеем законы свободного падения тел, колебаний маятника, закон инерции легли в основу зародившейся в XVII веке динамики. Математические основания динамики были разработаны в восьмидесятых годах того же столетия в работах Исаака Ньютона. 
Ятромеханика: начало истории биомеханики
         В медицине XVI–XVIII веков существовало особое направление, называвшееся  HYPERLINK "http://liverum.com/content/JATROMEXANIKA-75202.html" ятромеханикой или ятрофизикой (от греческого iatros - врач). В трудах известного швейцарского врача и химика Теофраста Парацельса и голландского натуралиста Яна Ван-Гельмонта, известного своими опытами по самозарождению мышей из пшеничной муки, пыли и грязных рубашек, содержалось утверждение о целостности организма, описанное в форме мистического начала. Представители рационального мировоззрения не могли принять этого и в поисках рациональных оснований биологических процессов положили в основу их изучения механику – наиболее развитую в то время область знания. Ятромеханика претендовала на объяснение всех физиологических и патологических явлений исходя из законов механики и физики. Известный немецкий врач, физиологи и химик Фридрих Гофман сформулировал своеобразное кредо ятрофизики, по которому жизнь – это движение, а механика – это причина и закон всех явлений [БМЭ /медицина]. Гофман рассматривал жизнь как механический процесс, в ходе которого движения нервов, по которым перемещается находящийся в мозге «животный дух» (spiritum animalium) , управляют сокращениями мышц, циркуляцией крови и работой сердца. В результате этого организм - своеобразная машина – приводится в движение. Механика при этом рассматривалась как основа жизнедеятельности организмов.          Подобные претензии, как теперь понятно, были во многом несостоятельны, но ятромеханика противостояла схоластическим и мистическим представлениям, ввела в обиход многие важные доселе неизвестныефактические сведения и новые приборы для физиологических измерений. Например, согласно воззрениям одного из представителей ятромеханики  HYPERLINK "http://galileo.rice.edu/Catalog/NewFiles/baglivi.html" Джорджио Бальиви рука уподоблялась рычагу, грудная клетка - кузнечным мехам, железы - ситам, а сердце - гидравлическому насосу. Эти аналогии вполне разумны и сегодня. В XVI веке в работах французского армейского врача  HYPERLINK "http://www.newadvent.org/cathen/11478a.htm" А.Паре (Ambroise Pare) были заложены основы современной хирургии и предложены искусственные ортопедические приспособления – протезы ноги, руки, кисти, разработка которых основывалась скорее на научном фундаменте, чем на простой имитации утраченной формы [БМЭ /медицина]. В 1555 г. в работах французского натуралиста Пьера Белона был описан гидравлический механизм движения актиний [Chapman, 1975]. Один из основателей ятрохимии Ван-Гельмонт, изучая процессы брожения пищи в организмах животных, заинтересовался газообразными продуктами и ввел в науку термин «газ» (от голландского gisten – бродить). К развитию идей ятромеханики были причастны А.Везалий, У.Гарвей, Дж.А.Борелли, Р.Декарт. Ятромеханика, сводящая все процессы в живых системах к механическим, равно как и восходящая к Парацельсу ятрохимия, представители которой полагали, что жизнь сводится к химическим превращениям химических веществ, составляющих тело, приводили к одностороннему и зачастую неверному представлению о процессах жизнедеятельности и способах лечения заболеваний. Тем не менее, эти подходы, в особенности их синтез, позволили сформулировать рациональный подход в медицине XVI-XVII веков. Даже учение о возможности самозарождения жизни сыграло свою позитивную роль, ставя под сомнение религиозные гипотезы о сотворении жизни. Парацельс создал “анатомию сущности человека”, которой пытался показать, что в „теле человека соединились мистическим образом три вездесущих ингредиента: соли, сера и ртуть” [История медицины, 1954].          В рамках философских концепций того времени формировалось новое ятромеханическое представление о сути патологических процессов. Так, немецкий врач Г.Шатль создал учение об анимизме (от лат.anima – душа), в соответствии с которым болезнь рассматривалась как движения, совершаемые душой для вывода из тела чужеродных вредных веществ [БМЭ /медицина]. Представитель ятрофизики итальянский врач Санторио (1561-1636), профессор медицины в Падуе считал, что любая болезнь - это следствие нарушения закономерностей движения отдельных мельчайших частиц организма. Санторио одним из первых применил экспериментальный метод исследования и математическую обработку данных, создал ряд интересных приборов. В сконструированной им специальной камере Санторио изучал обмен веществ и впервые установил связанное с жизненными процессами непостоянство веса тела. Совместно с Галилеем он изобрел ртутный термометр для измерения температуры тел (1626 г.). В его труде "Статическая медицина" (1614) одновременно представлены положения ятрофизики и ятрохимии. Дальнейшие исследования привели к революционным изменениями в представлениях о строении и работе сердечно-сосудистой системы. Итальянский анатом Фабрицио д'Аквапенденте обнаружил венозные клапаны. Итальянский исследователь П.Азелли и датский анатом Т.Бартолин обнаружили лимфатические сосуды.          Английскому врачу Уильяму Гарвею принадлежит открытие замкнутости системы кровообращения. Обучаясь в Падуе (в 1598-1601), Гарвей слушал лекции Фабрицио д'Аквапенденте и, по-видимому посещал лекции Галилея. Во всяком случае, Гарвей находился в Падуе, в то время как там гремела слава о блестящих лекциях Галилея, которые посещались многими исследователями, приезжавшие специально издалека. Открытие Гарвеем замкнутости кровообращения явилось результатом систематического применения разработанного ранее Галилеем количественного метода измерений, а не простым наблюдением или догадкой. Гарвей выступил с демонстрацией, в ходе которой он показал, что кровь движется из левого желудочка сердца только в одном направлении. Измерив объем крови, выбрасываемой сердцем за одно сокращение (ударный объем), он умножил получившееся число на частоту сокращений сердца и показал, что за час оно прокачивает объем крови, намного превышающий объем тела. Таким образом был сделан вывод, что значительно меньший объем крови должен непрерывно циркулировать по замкнутому кругу, поступая в сердце и прокачиваясь им по системе сосудов [Fung, 1993]. Результаты работы были опубликованы в труде «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных» (1628 г.). Результаты работы были более чем революционными. Дело в том, что со времен Галена считалось, что кровь производится в кишечнике, откуда поступает в печень, затем в сердце, откуда распределяется по системе артерий и вен к остальным органам. Гарвей описал сердце разделенный на отдельные камеры как мышечный мешок, выполняющий роль насоса, нагнетающего кровь в сосуды. Кровь движется по кругу в одном направлении и попадает снова в сердце. Обратному же току крови в венах препятствуют венозные клапаны, обнаруженные Фабрицио д'Аквапенденте. Революционное учение Гарвея о кровообращении противоречило утверждениям Галена, в связи с чем его книги подвергались резкой критике и даже пациенты зачастую отказывались от его врачебных услуг. С 1623 г. Гарвей служил в качестве придворного врача Карла I и высочайшее покровительство спасало его от нападок противников и обеспечивало возможность дальнейшей научной работы. Гарвей выполнил обширные исследования по эмбриологии, описал отдельные стадии развития зародыша ("Исследования о рождении животных", 1651). XVII век можно назвать эпохой гидравлики и гидравлического мышления. Успехи техники способствовали появлению новых аналогий и лучшему пониманию процессов, происходящих в живых организмах. Вероятно, именно поэтому Гарвей описал сердце как гидравлический насос, прокачивающий кров по „трубопроводу” сосудистой системы. Для полного признания результатов работы Гарвея требовалось только найти недостающее связующее звено, замыкающее круг между артериями и венами, что будет сделано вскоре в работах Мальпиги. Механизм работы легких и причины прокачивания воздуха по ним остались для Гарвея непонятыми – небывалые успехи химии и открытие состава воздух были еще впереди. XVII век является важной вехой в истории биомеханики, поскольку он был ознаменован не только появлением первых печатных трудов по биомеханике, но и становлением нового взгляда на жизнь и природу биологической подвижности.          Французский математик, физик, философ и физиолог Рене Декарт был первым, кто попытался построить механическую модель живого организма с учетом управления посредством нервной системы. Его трактовка физиологической теории на основе законов механики содержалась в опубликованном посмертно труде (1662-1664). В этой формулировке впервые была высказана кардинальная для наук о живом идея регуляции посредством обратной связи. Декарт рассматривал человека как телесный механизм, приводимый в движение «живыми духами», которые «постоянно восходят в большом количестве от сердца к мозгу, а оттуда – через нервы к мышцам и приводят все члены в движение». Не преувеличивая роль «духов», в трактате “Описание человеческого тела. Об образовании животного” (1648 г.) он пишет, что знание механики и анатомии позволяет увидеть в теле «значительное количество органов, или пружин» для организации передвижения организма. Работу организма Декарт уподобляет механизму часов, с отдельными пружинами, винтиками, шестеренками. Кроме этого, Декарт занимался исследованием координации движений различных частей тела. Проводя обширные эксперименты по исследованию работы сердца и движению крови в полостях сердца и крупных сосудах, Декарт не соглашается с концепцией Гарвея о сокращениях сердца как движущей силе кровообращения. Он отстаивает восходящую в Аристотелю гипотезу о нагревании и разжижении крови в сердце под действием присущей сердцу теплоте, продвижении расширяющейся крови в крупные сосуды, где она охлаждается, а «сердце и артерии немедленно опадают и сжимаются». Роль дыхательной системы Декарт видит в том, что дыхание «приносит в легкие достаточно свежего воздуха для того, чтобы кровь, поступающая туда из правой части сердца, где она разжижалась и как бы превращалась в пар, снова обратилась из пара в кровь». Он исследовал также движения глаз, использовал деление биологических тканей по механическим свойствам на жидкие и твердые. В области механики Декарт сформулировал закон сохранения количества движения и ввел понятие импульса силы [Матвиевская, 1987; Декарт, 1989].          Французский физик и теолог Эммануэль Меньян (Emmanuel Maignan), известный своими работами по оптике и созданию «Торричеллиевой пустоты», в своем трактате «О солдатском фронте» (1648г.) подробно описал аналогию между движением солдат в строю по пересеченной местности и распространением параллельного пучка световых лучей в рамках корпускулярной теории. Возможно, эта работа была исторически первой, где упомянута механика как основа для описания движения коллективов -– активно развивающуюся область современной биомеханики (см. раздел 27).          Понимание процессов, связанных с преломлением световых лучей в линзах, привело к попыткам рассмотрения глаза как оптического механизма (см. раздел19). Немецкий астроном Х.Шнайдер (1575-1650) исследовал лучепреломление в различных тканях глаза, роль сетчатки в формировании изображения.
Первые печатные труды по биомеханике
       
 Неаполитанец Джиованни Альфонсо Борелли обучался в Риме у ученика Галилея Бенедетто Кастелли, основателя современной гидравлики. По-видимому, он был знаком с Галилеем и находился в Риме в 1633 г., когда там длилось судебное разбирательство инквизиции. Борелли предвосхитил некоторые идеи Исаака Ньютона и положил начало новому научному направлению – ятромеханике. Он первый приложил принципы новой механики Галилея к исследованию разнообразных механических процессов в организмах. Монументальный труд Борелли «О движении животных» вышел вскоре после его смерти, в 1680–1681 гг. в Риме. С этим двухтомным трудом связывают начало систематического изучения механики живых существ [Fung, 1993]. Борелли принадлежат оригинальные исследования работы сердечной мышцы, кишечника и легких, полета птиц и плавания рыб. Он объяснил различные типы движений человека и животных на основании известных тогда в механике принципов рычага и действующих сил. Он описал механические функции скелета и мышц, объяснил механизм дыхания через работу дыхательных мышц, при сокращении растягивающих грудную клетку. Проводя количественные измерения объемов вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, Борелли, сделал вывод, что вдох управляется работой дыхательных мышц, а выдох в большей степени определяется упругими свойствами тканей. Причиной мышечного сокращения Борелли считал «нервный сок», который поступает в мышцу по подходящему к ней крупному нервному волокну. В результате мышца «намокает» и становится толще. Несмотря на неправильность, это объяснение было прогрессивным, поскольку до него причиной сокращения мышц считались волевые импульсы души или «животные духи». Исследуя многочисленные и разнообразные механические процессы как основу функционирования организмов, Борели считал, что мышечное сокращение не является число механическим процессом, а связано с химическими процессами. В 1680г. Борелли с помощью термометра измерил температуру в сердце животного и показал, что она не выше, чем температура в других точках тела, опровергнув тем самым гипотезу Аристотеля о существовании «сердечного огня» - перепада температур между сердцем и легкими - как движущей силе кровообращения [Беркенблит, 1988]. По-видимому, Борелли был первым естествоиспытателем, который понял, что именно наличие рычагов в строении скелета способствует развитию организмами при сокращении мышц значительный усилий, превосходящих силы сопротивления окружающей среды и способствующие таким образом их перемещению в воде и воздухе. Исходя из принципа статического равновесия, он вычислил силы, необходимые для поддержания равновесия при различных положениях тела и при разных видах внешней нагрузки, а также рассчитал положения центров масс человеческого тела и его отдельных звеньев. Он впервые описал движения млекопитающих, птиц, рыб и насекомых на языке рычагов, осей вращения и приложенных сил. И это все было проделано задолго до того, как И.Ньютон сформулировал законы движения. Борели первым предположил, что сокращение сердца аналогично работе скелетной мускулатуры и описал систему кровообращения как гидравлическую систему.          Французский естествоиспытатель Рене Реомюр, известный своими физиологическими трудами по регенерации и названной его именем температурной шкалой, исследовал механику пищеварения. Итальянский физик и астроном Франческо Гримальди, известный открытием явления дифракции света, впервые обнаружил звуки, генерируемые сокращающимися мышцами. В трактате «Physicomatheis de lumine» (1665) он указал, что, приложив кончики больших пальцев рук к ушам и сжимая кисти в кулак, можно слышать низкочастотные звуки. Звуки будут тем громче, чем сильнее сокращены мышцы. Появление звуков он связал с «возбуждающими движениями животных духов» мозга. Интересно, что это явление в течение более 150 лет не привлекало внимания исследователей, а качественная методика регистрации акустического излучения появилась лишь три столетия спустя [Oster, 1973].          Английский физик Роберт Бойль, открывший знаменитый газовый закон, исследовал работу легких и зависимость объема вдыхаемого воздуха от давления. Итальянский биолог и врач Марчелло Мальпиги - один из основателей микроскопической анатомии, современной эмбриологии и гистологии - используя микроскоп, в 1661 г. открыл капилляры – недостающее связующее звено в системе циркуляции между артериями и венами [Fung, 1968]. В своих работах он подробно описал капиллярное кровообращение, микроскопическое строение тканей и органов растений, животных и человека.          Борели, Мальпиги и Декарт стали ключевыми фигурами в развитии ятромеханики XVII века, применяя идеи и методы исследования современной им механики для исследования живых объектов. Представитель ятромеханики итальянский врач Бернардино Рамаццини (Bernardino Ramazzini), основоположник промышленной патологии и гигиены труда, писал «В наш век, можно сказать, вся медицина сведена к механике». В своем фундаментальном труде «О болезнях ремесленников. Рассуждения» (1700 г.) он описал условия труда и этиологию профессиональных заболеваний около семидесяти различных специальностей и ремесел, предложил методы их профилактики [БСЭ.т.21.С.451]. 
Микроскопия и развитие экспериментальных методов исследования живого
       
  Новая эра в развитии наук о живом связана с появлением микроскопа. Примитивные аппараты были созданы еще в 1590 г. Я.Янсеном и его сыном Захарисом [Мачабели, 1975]. Микроскопы, собиравшиеся после в соответствии со схемой Галилея, позволяли достигать большего увеличения, но невысокое качество шлифовки стекол, сферическая и хроматическая аберрация в многолинзовых системах приводила к нечетким расплывчатым изображениям с цветными ореолами, поэтому подробно рассмотреть объекты размером с клетку не удавалось. Нидерландский натуралист Антонии Ван Левенгук стал основоположником научной микроскопии. Еще в молодости Левенгук увлекался шлифовкой малых стекол и достиг в этом искусстве небывалых высот. После его смерти в рабочем кабинете осталась коллекция, содержавшая 172 линзы и 273 микроскопа с 150-300 кратным увеличением. Микроскоп Левенгука содержал только одну качественно обработанную (с точностью до 2 мкм!) мощную линзу. Единственное неудобство было связано с необходимостью удерживать микроскоп у глаза, подкручивая специальный винт и добиваясь явного изображения объекта, при этом сильно напрягая зрение. Секрет линз Левенгука и в наши дни далек от разгадки. Одна из гипотез состоит в том, что исследователь использовал для линз небольшие капли стекла, стекающие на нижнюю поверхность выдуваемого стеклянного пузыря и застывающие там. Левенгук писал, что он открыл интересный способ создания некруглых линз [Ford, 1985]. Рассматривая в изготовленные им микроскопы капли воды, крови, слюны и других биологических жидкостей, кусочки собственной кожи, пластинки мяса и рыбью чешую, зубной налет Левенгук стал первым человеком на планете, увидевшим эритроциты, сперматозоиды, разнообразные подвижные микроорганизмы. Начиная с 1673 года, он систематически присылал результаты своих наблюдений с подробными зарисовками в Англию, в Лондонское Королевское общество. Его отчеты затем публиковались в Philosophical Transactions. За 50 лет наблюдений он открыл более 200 видов микроорганизмов, которых он называл микроживотными (animalicules). Левенгук впервые описал реснички и жгутики клеток, движение различных микроорганизмов, перемещение эритроцитов в капиллярах (1688), обратив внимание и на их деформируемость, и на разделяющие эритроциты плазменные промежутки. Он испытывал на себе действие лекарств и наблюдал их влияние на упругие свойства эритроцитов. Исследуя свежую и застоявшуюся дождевую воду, он обнаружил, что микроорганизмы появляются в ней только спустя несколько дней и необыкновенно быстро размножаются. Левенгук исследовал выделения организма и пытался понять связь их свойств с качеством съеденной пищи. Он впервые описал клеточное строение различных органов, различия в строении гладких и поперечно-полосатых мышц. В 1680 году исследователь-самоучка был избран действительным членом Лондонского королевского общества, а позже был принят во Французскую академию наук. Город Делфт, где он жил и работал, стал местом паломничества многих людей, желавших воочию убедиться в существовании мира микроскопических живых существ. В 1698 году там побывал и российский император Петр I. Появление микроскопа привело к целому ряду новых наблюдений и открытий, которые способствовали развитию целый направлений биомеханики.          В 1663 году Ян Шваммердам (Jan Swammerdam), занимаясь исследованиями мышечных препаратов лягушки, обнаружил, что при сокращении мышца укорачивается, становясь толще, но при этом сохраняет свой объем. Это наблюдение противоречило гипотезе о поступлении в мышцу жидкости («намокание» по Борелли), что должно было бы сопровождаться увеличением объема мышцы при сокращении и уменьшением – при расслаблении. Датский естествоиспытатель Николаус (Нильс) Стенсен, один из основоположников геотектоники, с помощью микроскопа исследовал строение мышц и обнаружил в них упорядоченные структуры (результаты 1664-1667 г.). Он же открыл проток слюнной железы (1660г.) и сделал сенсационное по тому времени заявление, что сердце является не вместилищем «животного тепла», а всего лишь обычной мышцей. В труде «Elrmentorum Myologiae Spccimm» Стенсен описал мышцы как пучки двигательных волокон, свойства которых отличны в середине и на концах мышцы (в сухожилиях), причем средняя часть играет основополагающую роль в развитии мышечной тяги. Он же впервые описал процесс сокращения мышцы как укорочение отдельных ее волокон, а не как процесс, связанный с притоком в мышцу и из нее дополнительного вещества [Rilton, 1926]. Уже в 1664 году Уильям Крун показал, что сокращение мышцы связано с поступлением сигнала от мозга животного. Интенсивные исследования нервно-мышечных препаратов позволили британскому врачу (одному из основателей London Royal Society) Францу Глиссону (Francis Glisson) создать теорию возбудимости (раздражимости), в соответствии с которой мышцы реагируют сокращением на различные внешние воздействия, сигналы о которых передаются нервной системой.          Шотландский врач Джеймс Кейли (James Keill) подсчитывал число отдельных волокон в мышце и рассчитывал напряжение, развиваемое отдельным волокном при подъеме груза заданного веса. В 1708 г. Он выпустил труд "An account of animal secretion, the quantity of blood in the human body, and muscular motion", где рассмотрел механизмы формирования биологических жидкостей из крови при прохождении последней через различные железы. При этом кровь рассматривалась как жидкость, в которой плавают частицы разной формы и размеров (клетки и агрегаты), наделенные силами притяжения (адгезией). Он исследовал влияние давления воздуха на адгезию клеток крови в дыхательной системе и показал, что способность клеток притягиваться ухудшается вблизи сердца и в крупных сосудах, а улучшается вдали от них. Кейли предположил, что клетки, способные к адгезии в крупных сосудах, обладают большей «притягивающей силой» [Singer, 1959; БМЭ].
Развитие ортопедии и биомеханики движений.
        
В 1741 г. Николас Андре (Nicolas Andry, 1658-1742) ввел в обиход слово ортопедия, которое образовал от слияния греческих корней «ortos» (прямой) и "pais" – ребенок. Андри считал, что деформации костей и пороки развития скелета могут протекать от мышечного дисбаланса в ходе раннего развития ребенка [Singer 1959]. В трактате «Ортопедия или искусство предупреждения и коррекции деформаций тела» («Оrthopedics or the art of preventing and correcting in infants deformities of the body», 1741) он выделил специальность ортопеда как врача, который лечит подобные нарушения и патологии путем корректирующей гимнастики. Несмотря на то, что современная трактовка слова «ортопед» сейчас иная, Николас Андри может быть назван основателем ортопедии как отдельного направления в науке.         Методы коррекции нарушений опорно-двигательной системы путем специальных упражнений были в дальнейшем разработаны в трудах шведского исследователя Пер Линга (Per Henrik Ling, 1776-1839). Линг создал оригинальную теорию массажа, синтезировав достижения греческой, римской, китайской и египетской техники и открыл первый институт по обучению технике массажа в Стокгольме. В своем труде «Рrincipia mathematica philosophiae naturalis» он исследовал технику выполнения различных упражнений и влияние разных видов нагрузки на человека [Singer 1959].         Постепенно в область ведения ортопедии входили вопросы, связанные с разработкой обуви. В течение многих столетий обувь была признаком определенного положения в обществе, поэтому огромное внимание уделялось ее внешнему виду и моде, но практически никакого – ее комфортности. Само различие между правой и левой туфлей появилось только в XIX веке. Владельцы гостиниц и постоялых дворов первыми обратили внимание на жалобы путешественников на боли в ногах и стали изготавливать из меха и шерсти животных стельки для обуви. Постепенно появилось понимание необходимости изготавливать многослойную подошву для поддержания комфортного положения арки стопы.          Успехи в развитии медицины и фармакологии сделали возможным производить ампутацию конечностей с сохранением максимально возможной части культи, что привело к разработке нового поколения протезов конечностей. В 1696 г. датский хирург Петер Вердьюн (Pieter Verduyn 16??-1???) изобрел первый протез голени, снабженный кожаным корсетом и внешними металлическими спицами, который явился прообразом современных протезов, способных переносить вес тела и участвовать в выполнении движений.         Параллельно развивалось учение о строении и работе кости. В 1691 английский анатом К.Гаверс (Clopton Havers 1655-1702) обнаружил в структуре компактной костной ткани цилиндрические полости, содержащие кровеносные сосуды и нервные волокна. Открытие сложной структуры кости, содержащей органические и неорганические плоские и цилиндрические компоненты, привело к дальнейшим интенсивным микроскопическим исследованиям костной ткани.
От Ньютона до Эйлера: период интенсивного развития механики
        
Успехи в развитии отдельных направлений биомеханики способствовали формированию общих воззрений на природу биологической подвижности на всех уровнях организации живого, однако наиболее важные исследования в биомеханике связаны с дальнейшим развитием механики. Развитие техники и производства, мореплавания и военного дела приводило к необходимости создания новых сложных установок и технологий, для разработки которых было недостаточно эмпирических данных и требовались теоретические расчеты. Обширные астрономические наблюдения движений Марса, выполненные датским астрономом Тихо Браге, привели известного немецкого астронома Иоганна Кеплера к открытию законов движения планет. Создателем классической механики является английский механик и астроном Исаак Ньютон (1643-1727). Он сформулировал основы динамики, законы трения в вязких жидкостях, закон всемирного тяготения и заложил основы небесной механики. В его труде «Математические начала натуральной философии» были впервые рассмотрены задачи динамики на математической основе, сформулирован закон тяготения как универсальный принцип взаимодействия тел. В «Лекциях по оптике» (1729) Ньютон писал, что оптику и механику следует относить к математической науке, «поскольку она излагается математическим рассуждением». В этом же труде Ньютон описал устройство глаза как оптического прибора: «передняя часть глаза (именно кристаллическая жидкость и роговая оболочка) составляет род линзы, собирающей лучи на сетчатку», обсуждались возможности деформации хрусталика за счет внешних факторов, изменения преломляющей поверхности глаза за счет мениска слезной жидкости и изменения хода световых лучей в глазном аппарате. Подробно исследованы оптические феномены в виде радужных пятен и ореолов, связанные с деформацией роговицы в виде концентрических складок. О влиянии глазных мышц на преломляющую способность глаза Ньютон, по-видимому, не знал, поскольку никаких упоминаний о работе мышц в его фундаментальной работе не приведено [Ньютон 1946]. Английский естествоиспытатель Роберт Гук (1635-1703) исследовал упругие свойства тел и открыл закон упругости механики деформирующегося тела, высказал гипотезу о силе тяготения как о возможной причине эллиптичности орбит планет (1666 г.). Гук проводил также биологические исследования, усовершенствовал микроскоп и, исследуя клеточную структуру тканей, ввел понятие клетки как мельчайшей единицы строения живого. [Арнольд 1989, Кобзарев 1978, Боголюбов 1984]. Ему принадлежат исследования работы легких и значения растворенного в воде воздуха для дыхания рыб [Fung 1968]. Свои наблюдения за строением различных тканей растений он изложил в трактате «Микрография» (1665г.). Итальянский натуралист Ладзаро Спалланцани (Spallanzani) (1729-1799), впервые доказавший невозможность самозарождения микроорганизмов и осуществивший искусственное оплодотворение млекопитающих, занимался также механикой пищеварения. Он впервые показал, что микроорганизмы размножаются путем деления. В XVIII веке в трудах Леонарда Эйлера, Иоганна и Даниила Бернулли, Жозефа Луи Лагранжа и Жана Лерона Даламбера был сформулирован целый ряд положений современной гидромеханики, продолжившие идеи Галилея о фундаментальной роли математики в точных науках. Важными вехами на пути развития механики явились «Механика» Эйлера и «Аналитическая механика» Лагранжа, «Трактат о динамике» Даламбера. Великий математик, механик, физик и астроном Леонард Эйлер (1707-1783) является основоположником теоретической гидромеханики. После переезда в Россию в 1727г. по приглашению Петербургской Академии наук он занимал сначала должность профессора физиологии, лишь после перейдя на кафедру физики[Иваницкий 2001, История механики в России 1987]. Многие работы Эйлера на новой должности также были связаны с физиологией. В 1742 г. он впервые поставил и решил задачу о течении жидкости в эластичной трубке и, таким образом, осуществил первое математическое исследование движения крови по артериям. Эту работу Эйлер направил в Дижонскую академию наук, где она впоследствии была удостоена премии. В 1775г. на заседании Петербургской академии наук Эйлер представил свою работу «Основы определения движения крови через артерии», в которой было исследовано волновое течение крови по артериям, определяемое периодическими сокращениями сердца. Артерии рассматривались как жесткие трубки, а сердце – как цилиндрический насос [История механики в России 1987]. Для случая податливых трубок Эйлеру не удалось найти решения сформулированной им системы уравнений. Помимо этого, в своих знаменитых «Письмах к немецкой принцессе» Эйлер описал устройство и работу глаза [Иваницкий 1999]. Выдающийся механик Даниил Бернулли (1700-1782), который сформулировал основные законы механики жидкости и газа, занимался также исследованиями механики дыхания, мышечного и сердечного сокращения. В первом томе «Commentarii» Петербургской Академии наук была опубликована его работа «Новая попытка теории мускульного движения». В этой работе Бернулли приводит детальные данные о степени укорочения мышц, времени сокращения и расслабления, а в заключительной части работы получает дифференциальное уравнение, описывающее мышечное сокращение и на основании гидростатического рассмотрения доказывает теорему «Кривая, которую представляют отдельные волокна в течение выпучивания мускула, всегда является эластикой и ее ось совпадает с осью мускула» [История механики в России 1987]. В результате исследования Бернулли находит соотношение между диаметром, максимальным укорочением и длиной мышцы, а также последовательно проводит мысль о том, что процессы в биологических организмах не могут быть изучены без использования математики. Благодаря фундаментальным работам Эйлера и Бернулли, «Commentarii Academiae Scientiarum Imperialis Petropolitanae» Петербургской Академии наук становится одним из ведущих научных журналов в мире [Космодемьянский 1982]. И Эйлер, и Бернулли в числе других наук, изучали медицину и, таким образом, идея рассмотрения биологических процессов на базе законов механики была для них естественной.
Развитие представлений о мышцах и локомоциях
      
   XVIII век ознаменовался проникновением в медицину и биологию идей механики, представлений о вездесущности механических процессов, о колоссальной значимости механических принципов и идей при исследовании тканей и систем животных и человека, причем признавалось это, в первую очередь, именно врачами и физиологами. Привычным стало представление о живом организме как системе рычагов и преобразователей мышечных сил, обеспечивающих должную эффективность локомоций. Параллельно с этим получили развитие виталистические теории, в соответствии с которыми в организме циркулировали сверхъестественные силы, управляющие всеми жизненными функциями. На фоне этого симбиоза идей поистине сложно было разумно трактовать результаты экспериментов по мышечному сокращению и роли в этом процессе нервной системы. Идея о том, что основным структурным элементом биологических организмов является мышечное волокно, обладающее врожденной способностью к сокращению, выдвинутая впервые Германом Боерхаве (Hermann Boerhaave's 1668-1738), нашла свое развитие в трудах немецкого естествоиспытателя, врача и поэта Альбрехта фон Халлера (Albrecht von Haller 1708-1777), который в своих трудах по анатомии, хирургии, эмбриологии и ботанике заложил основы экспериментальной физиологии. Фон Халлер занимался экспериментальными исследованиями структуры, упругих свойств и функций мышц, изучению которых в то время уделялось все большее внимание естествоиспытателей. В 1700 году Багливи (Baglivi 1688-1706) обнаружил различие в структуре и функциях поперечно-полосатых и гладких мышц, а несколько позже Джеймс Кейли (James Keill 1674-1719) провел измерения числа волокон в разных мышцах и рассчитал напряжение, развиваемое отдельным волокном. Путем экспериментов фон Халлер показал, что мышца, изъятая из тела и, таким образом, не связанная с организмом нервными волокнами, способна сокращаться в ответ на прямой химический, механический или электрический стимул, причем им были использованы все виды мышц: скелетные, гладкие и мышцы сердца. Последователь фон Халлера исследователь Ф.Фонтана в 1763г. показал, что реакция сердца на прямую стимуляцию зависит от фазы сокращения сердечной мышцы, то есть от времени, которое прошло после предыдущего сокращения [Беркенблит 1988]. Так последовательно развивалось представление о возбудимости мышцы как об их неотъемлемом свойстве сокращаться в ответ на раздражения различной природы. В 1751 году Роберт Уатт (Robert Whytt 1714-1766) определил расположение рефлексогенных областей и продемонстрировал двигательные рефлексы спинного мозга. Наконец, в цикле работ (1776-1793гг.) Джона Хантера (John Hunter 1728-1793) было сформулировано утверждение, что мышца приспособлена для создания локомоторной тяги и является единственной частью тела, обладающей двигательной функцией. Несколько абсолютизируя это свойство мышц, известный русский физиолог Иван Михайлович Сеченов (1829-1905) почти сто лет спустя напишет: «Смеется ли ребенок при виде игрушки ... создает ли Ньютон мировые законы и пишет их на бумаге – везде окончательным фактом является мышечное движение ... все внешние проявления мозговой деятельности действительно могут быть сведены на мышечное сокращение» [Сеченов]. 
Подобный подход, в применении к биомеханике, иногда рассматривается как неоправданная редукция и проявление механицизма – философской концепции, основанной на представлении о том, что механическая форма движения материи является единственной объективной формой движения в природе. Механицизм был крайне популярен на протяжении XVI-XVIII вв, что объяснялось успехами механики, которая была в то время наиболее развитой наукой, базирующейся на непоколебимом математическом фундаменте и имевшей множество практических приложений для повседневной жизни. Слово „механицизм” часто понимается в широком смысле как вульгарная редукция сложных явлений к простым, которые на самом деле могут являться лишь составными частями общего явления. В свете такой трактовки термина и биомеханика может неоправданно рассматриваться как наука, которая упрощает бесконечное разнообразие проявлений биологической жизни, сводя их к механическому движению (см.п.1.4). Но „кесарю-касарево”, и биомеханические исследования, проводимые физиками и биологами, врачами и химиками, механиками и математиками, постепенно приводили к формированию целостного взгляда на механические процессы, протекающие в биологических организмах, и даже способствовали формированию философских концепций и формированию новых взглядов на загадку жизни. Так, в работах французского философа-просветителя Этьена Бонно де Кондильяка (E.Condillac 1715—1780) появились рассуждения о психической механике. Французский врач и философ Жюльен Офре де Ламетри (Lamettrie 1709-1851) сформулировал представление о человеке-машине (соч. «Человек-машина» 1747), в котором организм человека рассматривался как высокосовершенная машина с заводом, подобным часовому механизму. Из рассуждений Ламетри следовало, что душа человека – это продукт устройства как машины, причем концепция «души» не является необходимой для объяснения особенностей функционирования человека-машины и его психических возможностей. Трактат Ламетри был предан сожжению на костре, но изложенные в нем идеи остались и продолжали развиваться в работах других исследователей. 
Французские философы-материалисты Дени Дидро (Diderot 1713-1784), Клод Гельвеций (Helvetius 1715-1771), Поль Анри Гольбах (Hoibach 1723-1789) обсуждали понятие человека-машины как продукта исторического развития и условий внешней среды. Наконец, французский врач и философ Пьер Кабанис (Cabanis 1757—1808) развил положение о том, что сознание является функцией в мозга в той самой мере, в какой остальные органы тела обладают своей функцией. (Этот вывод был сформулирован на основании длительных наблюдений, порожденных практикой французской революции. Кабанису как практикующему врачу было поручено определить, в какой мере гильотинируемый человек способен осознавать и переживать физические мучения.) Впоследствии приверженцы вульгарного материализма преобразовали эту фразу в лозунг «мозг выделяет мысль, подобно тому, как печень выделяет желчь». На деле Кабанис утверждал, что мысль проявляется в жестах и словах, за которыми стоит мышечное сокращение – идея, впоследствии развития в трудах И.М.Сеченова. Работы французских материалистов привели к пониманию глубокой взаимосвязи телесной и духовной составляющей, к возможности найти ответы на вопрос о сущности жизни не в божественной бестелесной субстанции, а в структуре и функции нервной ткани, доступной для рационального исследования с помощью опыта. Постепенно формировалось представление о том, что различные физико-химические процессы протекают сходным образом в биологических и небиологических системах. Французский химик Антуан Лавуазье (1743-1794) и французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас (1749-1827) показали, что превращение кислорода в углекислый газ является источником тепла живых организмов, причем количество тепла, выделяющееся в ходе химической реакции не зависит от того, проводится реакция в лабораторных условиях или в живом организме. Так было подтверждено выполнение закона Гесса, который является, по сути, следствием первого закона термодинамики для биоорганизмов.
Век Просвещения – век электричества
    
     В течение XVIII века – века Просвещения - были заложены математические основы современной механики, а основные открытия и положения последней приложены для объяснения процессов, протекающих в биологических организмах. Исследования по биомеханике получили твердую экспериментальную основу, были развиты строгие количественные методы измерений в биомедицинских экспериментах и наблюдениях. Всеобщие законы сохранения – массы, импульса, энергии – были осознаны как необходимая база для изучения биологических процессов. В то же время изучение биологических систем позволяло понять и переосмыслить фундаментальные понятия механики, такие как понятие силы. Мышечное сокращение и генерация силы как основа локомоций и видимых проявлений жизни, связь сокращения с проведением нервного импульса и деятельностью мозга исследовались не только в механическом и физиологическом, но и в общефилософском контекстах. Параллельно с успехами химии и биохимии формировалось представление о важности электрических и электрохимических процессов, которое привело к появлению современной биомеханики, учитывающей при моделировании механических явлений протекающие в организме физико-химические процессы. XVIII век часто называют веком электричества, и для биологии начало его связано с именем итальянского анатома и физиолога Луиджи Гальвани (Galvani 1737-1798). Само слово «электричество» было введено придворным врачом английской королевы Елизаветы Уильямом Джильбертом (William Hilbert 1544—1603), который в своем фундаментальном труде по магнетизму «The Magnet» собрал и обобщил известные сведения по электризации и магнетизму. История исследования электрических и магнитных явлений тесно переплетена и неразрывно связана со свойствами биологических систем. Еще французский физик Чарльз Дюфей (Charles Dufay 1698-1739), который ввел понятия «стеклянного» и «смоляного» электричества (позже замененных Бенджамином Франклином на положительный и отрицательный заряды) полагал, что электрические свойства являются основной характеристикой всех живых тканей. Гальвани обнаружил и исследовал электрические явления, сопровождающие мышечное сокращение («животное электричество») и стал основоположником современной экспериментальной электрофизиологии. Он обнаружил, что соединение мышцы препарата лягушки с нервом посредством проводника, состоящего из двух разных металлов, приводит к сокращению мышцы за счет, как считал Гальвани, передачи от нерва к мышце по проводнику «животного электричества». Влияние электричества Он показал, что ткани животных являются источником электричества такого рода. В своем труде «Трактат по влиянию электричества на мышечное движение» (1791), подводившем итог десяти годам экспериментов и размышлений, Гальвани указывает, что электрические силы могут быть использованы в лечебных целях. Он высказывает соображения о роли электрических процессов в мозге и нервах при развитии ряда заболеваний (паралич, эпилепсия) и обосновывает положение о том, что животное электричество идентично электричеству, образующемуся при трении и атмосферному электричеству. В 1797 г. немецкий естествоиспытатель Александр фон Гумбольдт (Alexander von Humboldt 1769-1859) повторил опыты Гальвани и подтвердил его открытие. Итальянский физик и физиолог Алессандро Вольта (Volta 1745-1827) продолжил исследования «животного электричества» и открыл контактную разность потенциалов. Он показал, что нервно-мышечный препарат является чувствительным электроскопом, а разность потенциалов создается за счет контакта двух металлов в проводнике. Вольта создал первый химический источник постоянного электрического тока («вольтов столб», 1800), что позволило развернуть масштабные исследования влияния электричества на организм. В ходе спора Гальвани и Вольта о физической природе животного электричества Гальвани поставил новые эксперименты без использования металлов и показал, что при сокращении мышцы возникает возбуждение, которое передается через контактирующий с ней нерв другого нервно-мышечного препарата и вызывает сокращение соответствующей мышцы. Вольта впервые обнаружил явление электрического фосфена – зрительное ощущение вспышки света при пропускании через глаз электрического тока и исследовал также возникновение вкусовых ощущений при прохождении тока. Французский анатом и физиолог Мари-Франсуа Бишо (Bichat Mari-Francois Xavier, 1771-1802) детально исследовал структуру и классифицировал 21 вид тканей в организме человека, введя в обиход медицины сам термин «ткань». Он заложил основы современной гистологии и патологической анатомии. Во время Французской революции Бишо получил разрешение проводить эксперименты с гильотинированными телами и, таким образом, смог на обширном материале исследовать влияние электростимуляции на деятельность различных органов, в том числе на сердечные сокращения при прямой стимуляции. Он сформулировал также важное и плодотворное для дальнейшего развития биологии утверждение о тесной связи между формой и функцией. В 1833г. был изобретен гальванометр (Нервандар), а в 1838 итальянский физиолог и физик Карло Маттеуччи (Сarlo Matteucci 1811-1868) с его помощью измерил разность потенциалов между нервом и мышцей на рассеченном препарате лягушки. В 1837 г. Маттеуччи показал, что разность потенциалов всегда существует между поврежденной и рассеченной частями мышцы, причем поврежденная часть заряжена отрицательно. В 1848г. существование «тока повреждения» между рассеченной и неповрежденной частями мышцы было подтверждено в работах видного немецкого физиолога Эмиля Дюбуа-Реймона (Du Bois-Reymond 1818-1896), положивших начало молекулярной теории биопотенциалов и современной электрофизиологии. Загадка мышечного движения получила свое физическое обоснование, а электрические поля и токи стали использоваться в медицине не только экспериментов, но и для лечения и диагностики. Французский невропатолог Дюшен (Guillaume Duchenne 1806-1875) разработал устройство для электростимуляции мышц с поверхностными электродами [Duchenne 1855, 1863], описал особенности мышечной дистрофии, осанки больных с параличами и парезами. Он же предложил использовать электростимуляцию для диагностики локализации и лечения патологии. Дюшен исследовал влияние электростимуляции на нервы и мышцы в норме и при патологиях, для чего разработал технику биопсии. Применяя электростимуляцию к различным поверхностным мышцам, он уточнил их расположение и степень участия в локомоциях, впервые выяснив, что двигательные акты обусловлены скоординированным сокращением определенных групп мышц. Дюшен первый начал использовать в своем аппарате катушку индуктивности, что позволило ему выяснить зависимость мышечной реакции (от незначительного подергивания до тетануса) от напряжения. Исследуя влияние электрического тока на парализованные мышцы, он выделил патологии, связанные с нарушениями нервной системы (нормальная мышечная реакция при электростимуляции) и с нарушениями мышц (отсутствие сокращения при стимуляции). В некоторых случаях ему удавалось постепенное восстановление деятельности парализованной мышцы после курса электростимуляции. В 1862 г. он завершил описание порядка ста лицевых мышц, подробно описав отдельные группы, участвующие в выражении отдельных эмоций и мимических реакций. Поскольку использовавшийся аппарат вызывал достаточно болезненные ощущения при стимуляции лицевых мышц, Дюшен использовал трупный материал или пациентов с параличом мышц лица. Это казалось более чем чудом – возможность «по заказу» вызвать маску гнева или радости на неподвижном лице. Дюшен даже описал подробно механизм неискренней улыбки, в формирование которой основной вклад вносит только круговая мышца рта, и других «типов» улыбок, включая самую искреннюю улыбку «сладких эмоций души» (улыбка Дюшена). На основе результатов своей работы, автор предложил метод электростимуляции лицевых мышц, методику тренировки для актеров, широко использовал фотографию. Немецкий физиолог и философ Дюбуа-Реймон стал основоположником современной электрофизиологии. Он исследовал влияние электрического тока на нервы и электрические явления в живых тканях. Результаты его экспериментальных исследований были опубликованы в труде «Очерки по исследованию так называемого лягушечьего тока и электродвигательных рыб» (1843г.). Он усовершенствовал гальванометр для измерения слабых электрических биотоков, зарегистрировал электрические процессы в мышцах и нервах при сокращении мышц и выполнении движений [Dubois-Reymond 1859,1867], создал молекулярную теорию биопотенциалов. Результаты его многолетних исследований изложены в фундаментальном труде «Researches on Animal Electricity» (1848-1884). В 1848г. он продемонстрировал результаты измерения потенциала действия нервов, а в 1849г. – потенциалы сокращающейся мышцы (электромиография). Классический эксперимент Дюбуа-Реймона связан с определением электрического сопротивления кожи. При этом руки испытуемого погружались в отдельные сосуды с раствором соли и после сокращения конечности гальванометр регистрировал появление разности потенциалов, которая резко увеличивалась при отделении кожного лоскута с участка сокращающейся мышцы. Он ввел понятия тока покоя, исследовал воздействие скорости изменения тока ( ) на возбуждение. Крупнейший труд Дюбуа-Реймона «Исследования по животному электричеству» печатался постепенно с 1848 по1860 год. Он первый предложил проводить диагностику состояния тканей, оценивая их реакцию на действие электрического тока. Он первый предложил использовать электрический ток в терапии для лечения нервно-мышечных и других функциональных расстройств. Его ученик немецкий физиолог Лудимар Герман (1838-1914) сформулировал биоэлектрическую теорию нервной проводимости, впервые измерил скорость распространения волны возбуждения по мышце, а также исследовал токи действия работающих мышц и желез (секреторные токи). Он же исследовал механизмы рече- и звукообразования, используя звукозаписи. Детальные исследования мышечного сокращения при выполнении отдельных сгибаний-разгибаний конечностей были проведены физиологом Ломбардом (Warren Plimpton Lombard 1855-1939). С помощью сконструированного им устройства он проводил одновременную регистрацию биопотенциалов пятнадцати сокращающихся мышц, исследуя спинальные рефлексы у лягушки. Анализируя локомоции человека, Ломбард обнаружил коактивацию пары мышц-антагонистов (передней и двуглавой мышц бедра) при переходе от положения сидя в положение стоя. Этот парадокс носит теперь его имя и объясняется путем анализа моментов сил, создаваемых парой антагонистов, однако отдельные аспекты мышечной коактивации и сейчас являются объектом биомеханического исследования [Gregor 1985]. Английский физиолог Шарль Шеррингтон Charles Scott Sherrington (1852-1952) обнаружил, что из всех нервных волокон, подходящих к мышце, около двух третьих составляют эфферентные волокна, а остальные представляют собой моторные нервы. Он обнаружил тоническое сокращение мышцы в ответ на ее растяжение и исследовал особенности иннервации и функционирования мышц-антагонистов. В 1889г. ? 1929 [Мачабели] физик Б.Ван-дер-Поль (18??-1???) предложил электрическую модель сердца, состоящую из четырех нелинейных осцилляторов [Fung история бм].
Биомеханика: приложения и отдельные направления
        
Интенсивные и разнообразные исследования в области анатомии, физиологии, механики, физики, химии способствовали постепенному накоплению разнообразных практических приложений, в первую очередь для диагностики и лечения заболеваний. Начиная с середины XVIII века, интенсивно развивается биомеханика опорно-двигательной системы. Немецкий анатом и физиолог И.Вейтбрехт (1702-1747) выпустил капитальный труд «Синдесмология» (1742) о строении и функциях связок. В 1855 г. прусский военный врач Breithaupt (1791-1873) впервые исследовал роль механических напряжений в разрушении (переломах) кости. Механическое разрушение кости происходит, когда внешние нагрузки (растяжения-сжатия, кручения и пр.), приложенные к кости, превосходят ее предел прочности и вследствие кумуляции микроповреждений развивается разрушение. В связи с исследованиями механических причин и особенностей переломов начались обширные исследования структуры и функции кости. В 1862 г. известный немецкий врач и физиолог Ричард фон Фолькман (Richard von Volkmann 1830-1889), который впервые описал теперь носящие его имя каналы в кости, расположенные в направлении, перпендикулярном к длинной оси, в математической форме сформулировал зависимость роста тканей от приложенных механических напряжений (закон Гютера-Фолькмана). Он обнаружил, что длительные сжимающие нагрузки кости способствуют замедлению ее роста, в то время как менее нагруженные участки растут быстрее, что может приводить в результате к неоднородному росту и изменению формы кости. Это открытие привело к новому повороту в развитии ортопедии. В 1867 фон Майер (Юлиус Роберт (1814-1878) ? немецкий естествоиспытатель и врач, открывший независимо от Г.Гельмгольца, закон сохранения энергии) сформулировал соотношения между структурой и функций костей, учитывая механическую нагрузку. В его работах впервые было указано на существование «траекторий» - определенных направлений, вдоль которых располагается костное вещество. В 1867 г. известный немецкий инженер основатель графической статики Карл Кульман (Karl Culmann 1821-1881) обнаружил, что направление костных балочек в бедренной кости совпадает с направлением линий максимальных напряжений и сформулировал инженерные принципы архитектуры трубчатых костей, которые соответствуют структуре оптимальных технических сооружений (подъемный кран и другие). Своеобразное итог этим исследованиям был подведен в работах немецкого естествоиспытателя Вольфа (Wolff 18??-1???), который систематизировал результаты по влиянию механических нагрузок на рост и перестройку структуры в кости и в 1870 (1892?) сформулировал известный закон (Wolff's law), согласно которому костная ткань способна образовываться/растворяться в тех областях, которые несут повышенную/пониженную нагрузку. Таким образом, постепенно выяснялось, что ростовые процессы в тканях могут быть описаны в рамках физических законов (соотношение между напряжениями и деформациями), а инженерные принципы могут применяться для расчета и понимания устройства биомеханических систем. Дальнейшие открытия в этой области были связаны с исследованиями походки и электромеханических свойств костной и мышечной тканей.
Механика кровообращения
         Первое, как сказали бы теперь, кровавое измерение давления выполнил на лошади английский химик и ботаник Стивен Хейлс (Siephen Hales 1677-1761), поместив трубку манометра в артерию и измерив высоту столба крови, поднявшейся по трубке. Впоследствии он усовершенствовал технику измерений, проводя исследования на собаках, овцах, оленях. По результатам измерений объемов камер сердца, объема выбрасываемой крови и площади сечения соответствующих сосудов Хейлс впервые рассчитал скорость движения крови и ввел понятие ударного объема сердца. Он же впервые рассчитал скорость движения крови в капиллярах, измеряя в ходе микроскопического наблюдения расстояние, которое проходили отдельные эритроциты за определенное время. В 1733 г. Хейлс издал первый в истории физиологии труд «Statistical essays: containing haemastatiks», содержавший результаты количественных измерений давления и скорости кровотока у различных животных. Он же впервые оценил количественно объем воды, поглощаемой и выделяемой некоторыми растительными и животными организмами. Французский врач и физик Жан Мари Пуазейль (1799-1869) экспериментально установил закон движения крови по сосуду или трубке, который теперь носит его имя. Ему принадлежат фундаментальные труды по физиологии кровообращения и дыхания, реологии крови. В 1828 г. он впервые выполнил бескровное измерение кровяного давления с помощью ртутного манометра. Работы Эйлера и Пуазейля положили начало современной гидромеханике крови. физиолог (Eduard Friedrick Wilhelm Weber 1806-1871) измерил скорость распространения пульсовых волн в артериях человека и установил пропорциональность силы, развиваемой мышцей, и площади ее сечения. В 1866 г. была опубликована работа Вебера, где решение задачи о волновом движении крови в артериях было получено на основании линеаризованных уравнений Эйлера. В 1838 г. Он провел измерения скорости кровотока в хвосте головастика, измеряя расстояние, которое проходили эритроциты за время, равное определенному числу звуков от тикающих часов [Чернух МКЦ].
Механика кровообращения
         Многие существенные результаты в области биологической механики были получены в период с начала XIX до середины XX века. Английский физик Томас Юнг (1773-1829), один из создателей волновой теории света, занимался фундаментальными исследованиями механики человека. Он разработал теорию цветного зрения, изучал механику речеобразования. Он впервые показал, что речь представляет собой звуковые колебания, генерируемые голосовым аппаратом и обусловленные эластичностью его тканей. После получения медицинской степени в Геттингене Юнг должен был выступить с лекцией, посвященной медицинской тематике, для которой он избрал тему формирования звука голосовым аппаратом человека. Исследование речеобразования привело к необходимости ставить оригинальные эксперименты и размышлять над природой звука [Singer 59]. В труде «Наблюдения за процессом зрения» (1793) Юнг привел данные об аккомодации глаза как связанных с сокращением глазных мышц изменениях кривизны хрусталика и его оптических свойств. Он выделил три типа волокон в сетчатке, ответственных за восприятие трех цветовых компонент и сформулировал теорию цветного зрения. В примитивной форме положения трехкомпонентной теории цветного зрения были предложены еще в трудах Михаила Ломоносова (1711-1765). Ему принадлежат также фундаментальные исследования артериального кровообращения и сердечной деятельности, функций сердца и артерий [Young 1808, 1809]. Он построил исторически первую модель ветвящегося артериального русла в виде правильного дихотомически ветвящегося дерева. Без пояснений отношение диаметров сосудов последовательных порядков ветвления было принято им равным 0.8, что соответствует современным морфометрическим данным и результатам моделирования оптимальных систем (см.разд.12.2, 30.4). Юнг рассмотрел волны малой амплитуды, распространяющиеся в упругой трубке, заполненной несжимаемой жидкостью, и получил выражение для скорости распространения волн в виде , где - плотность жидкости, причем модуль упругости стенки Юнг определил путем экспериментов [История механики в России]. Знаменитый немецкий физик, физиолог, психолог Герман Гельмгольц (1821-1894) был многосторонней личностью и внес существенный вклад в механику, термодинамику, оптику, акустику, электродинамику, физиологию и медицину. В механике он заложил основы теории вихревых движений жидкости, в термодинамике разработал теорию химических процессов и ввел понятие свободной энергии, в электродинамике выдвинул идею атомарной природы электричества, провел основополагающие исследования процессов в колебательном контуре. В разные годы он был профессором физиологии и патологии в Кенигсберге, профессором анатомии и физиологии в Бонне, профессор физиологии в Гейдельберге, профессором физики в Берлине. В своей работе «О сохранении силы» (1847) он первым сформулировал в математической форме и обосновал универсальность закона сохранения энергии. Гельмгольц ввел понятие потенциальной энергии и обосновал невозможность существования вечного двигателя. В 1845 г. он опубликовал работу "О расходовании вещества при действии мышц", а в первом томе журнала «Успехи физики» в 1846 г. выходит его обзор по теории физиологических тепловых явлений. Гельмгольц исследовал процесс мышечного сокращения, впервые обнаружил и провел измерения теплопродукции в сокращающейся мышце и показал, что теплопроизводство мышц является важной компонентой энергетического обмена организма. Гельмгольц является автором фундаментальных трудов по физиологии слуха и зрения ("Физиологическая оптика", 1856 г.). С помощью изобретенного им офтальмоскопа (1851 г.) он проводит первые исследования сетчатки глаза. Он изобрел также прибор для измерения размеров глаза – офтальмометр – и оптическое приспособление, известное теперь даже детям, с помощью которого для плоских изображения накладываются таким образом, что наблюдатель получает впечатление трехмерного предмета – стереоскоп [Fung история бм]. Офтальмоскоп и офтальмометр широко используются в клинической практике, а стереоскоп, помимо развлекательного, имеет важное медицинское применение – он используется для профилактики и лечения косоглазия [Б+Е]. Следуя Юнгу, Гельмгольц разрабатывает теорию трехцветового зрения, исследует механизмы аккомодации глаза. Исследуя механику слуха, он построил модель уха, позволившую исследовать воздействие звуковых волн на слуховой аппарат, разработал теорию восприятия звуков и изобрел акустическую колебательную систему - резонатор Гельмгольца. В 1863 г. увидела свет его книга "Учение о звуковых ощущениях как физиологическая основа акустики". Создав теорию резонанса, он создал затем на ее основе учение о слуховых ощущениях, о голосе, о музыкальных инструментах. Гельмгольц изучал процесс распространения нервного импульса по волокну и провел первые измерения скорости распространения нервного импульса у лягушки. Впоследствии в 1867-1870 гг. он провел совместно с русским ученым Н.Бакстом подобные измерения для человека. Скорость оказалась равной 30 см/с. До него считалось, что распространение возбуждения по нерву не является физическим процессом и не поддается измерениям. В области электрофизиологии он сконструировал «маятник Гельмгольца» - прибор, который позволял проводить периодические раздражения ткани с заданным интервалом. Примером синтеза физики и физиологии служит плодотворная работа немецких исследователей братьев Веберов. Старший, Эрнст Генрих (Emst Heinrich 1795-1878), анатом и физиолог, исследовал работу органов чувств и явился одним из основоположников экспериментальной психологии, заложив основы количественных измерений ощущений. В 1846 году он установил закон, который называется законом Вебера-Фехнера - чувствительность уха человека к звуку пропорциональна логарифму интенсивности звука (см.п.). Ощущение человека является субъективным процессом, поэтому абсолютные измерения силы ощущений невозможны, и Вебер предложил искать минимальные регистрируемые различия в ощущениях. Так, он установил, что минимальное изменение интенсивности звука dI, фиксируемое ухом человека, не зависит от интенсивности I слышимого звука и dI~0.1*I. Для осязания минимальное различие в ощущении тяжести груза dP не зависит от веса груза P и dP~0.3*P, а для зрения минимальная воспринимаемая разница в интенсивности света dJ не зависит от интенсивности J и соответственно dJ~0.01*J. Средний брат Вильгельм Эдуард, известный физик, именем которого названа единица магнитного потока, совместно с К.Ф.Гауссом разработал абсолютную систему электрических и магнитных единиц. Младший брат Эдвард (Eduard Friedrick Wilhelm Weber 1806-1871), физиолог, выполнил первые количественные измерения укорочения отдельных сокращающихся скелетных мышц. Он измерил скорость распространения пульсовых волн в артериях человека и установил пропорциональность силы, развиваемой мышцей, и площади ее сечения. В 1836 г. увидел свет совместный труд Вильгельма и Эдварда Веберов «Die Mechanik Der Menschlichen Gerverzeuge». В 1838 году вышел труд Эдварда Вебера «Quaestiones physiologicae de phaenomenis galvano-magneticis in corpore humano observatis». В этих работах, в частности, были впервые описаны последовательные перемещения центра масс тела при выполнении различных движений, проведены расчеты динамики отдельных кинематических звеньев тела человека как систем рычагов, определены параметры сегментов тела человека. Авторы считали, что поддержание вертикального положения тела обеспечивается натяжением связок при относительно небольшом участии мышечного напряжения. Тело человека они сравнивали с маятником, а процесс ходьбы рассматривался как обусловленное силой тяжести падение тела вперед и торможение падения, обусловленное весом и перемещением другой части маятника – опорной конечности. Немецкие исследователи Кристиан Бройн (Christian Wilhelm Braune 1831-1892) и Отто Фишер (Otto Fischer 1861 - 1917) выполнили первые биомеханические исследования движения тела человека в трехмерном пространстве при свободном перемещении и при наличии разных видов нагружения. В их книге «Der Gang des Menschen» (1895-1904) предложена методика анализа походки, которая используется и в наше время. Известный немецкий хирург Фридрих Тренделенберг (Friedrich Trendelenberg 1844-1924) исследовал особенности походки больных с врожденными вывихами бедра и последствиями неудачного сращивания перелома. Он обнаружил укорочение поврежденной конечности и описал компенсаторные изменения походки таких больных. Тренделенберг предложил располагать больных на операционном столе под углом 45 к горизонту вниз головой для пассивного оттока крови от нижних конечностей при проведение хирургических операций на варикозных венах и для перемещения кишечника при проведении гинекологических операций. Классические результаты, относящиеся к распространению пульсовых волн по кровеносным сосудам, были получены голландскими учеными Дидериком Кортевегом (1848-1941), его учеником Густавом де Фризом и Г.Лэмбом (1849-1934) [Korteweg]. Русский механик Ипполит Степанович Громека (1851-1889) заложил основы современной теории капиллярных явлений и теории винтовых движений жидкости, исследовал влияние деформации стенок сосудов на волновые течения крови [Громека 1883]. О.Франк (1865-1944) предложил теорию упругого резервуара для описания системы кровообращения [Frank 1930]. В трудах немецкого физиолога Карла Людвига (1816-1895) получили разрешение многие вопросы механизмов газообмена организма, деятельности сердечно-сосудистой системы, была предложена механическая теория мочевыведения (1846 г.) [БСЭ 1974 т.15]. Русский механик, основоположник аэродинамики и теории полета Н.Е.Жуковский (1847-1921) изучал также механику полета птиц («О парении птиц») и равновесия стеблей растений. Представление о роли щелочных и щелочноземельных ионов в процессах жизнедеятельности начало формироваться в конце XIX века (в том числе в работах С.Рингера). Современный этап исследований, в которых детально изучается взаимодействие ионов Ca2+ с наружной поверхностью возбудимой мембраны начался, как считают, в 1956-1957 гг., т.е. всего 35 лет назад [Костюк 86]. В первой половине XIX века были известны механизмы реснитчатого транспорта слизи в дыхательных путях (У.Шарпи, 1830), нелинейный характер упругости мягких тканей (М.Вертхейм, 1847). Упругие свойства тканей глаза обсуждал в это же время M.Bowman (1849). Ботаник Роберт Броун (Brown 1773-1858) в 1828 г. (по данным Энцикл словаря – 1827) наблюдал хаотическое движение частичек цветочной пыльцы и вначале полагал, что открыл новую микроскопическую форму жизни (парадокс состоит в том, что теперь хаотические движения действительно живых существ анализируются в терминах броуновского движения). После исследования мелких частиц минералов, мертвых и ископаемых образцов, Броун понял, что это движение свойственно достаточно мелким частицам любой природы и не объясняется присутствием живых организмов или конвективными потоками и испарением жидкости [Ford 1985]. Впоследствии Броун обнаружил и описал течения протоплазмы в тычинках традесканции, ядра в растительных клетках. Многие использующиеся поныне медицинские приборы и диагностические приемы были созданы в XIX веке. Французский врач Лаэннек (R.Laennec, 1819) разработал метод выслушивания звуков – тонов сердца, шумов над крупными сосудами, дыхательных хрипов – с помощью медицинской трубки, стетоскопа [БСЭ 1970 с.414]. В 1901 г. аускультация была впервые использована в ветеринарной практике венгерским исследователем Й.Мареком. Перкуссия появилась в арсенале практикующего врача в начале XIX века в результате обобщения работ Л.Ауэнбруггера (1761), Ж.Н.Корвизара (1808) и теоретического обоснования, проведенного в работах Й.Шкоды (1839) [БСЭ /перкуссия]. В 1895 г. известный немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген(1845-1923) обнаружил излучение (икс-лучи), которое теперь названо его и именем, позволяющее исследовать строение костей и скелета живого организма, неоднородности в структуре кости, характер и виды переломов костей – открытие, существенно повлиявшее на весь ход развития экспериментальной медицины, способствовавшее развитию биомеханики, в том числе молекулярной биомеханики (см.п.мышцы). В 1881 г. С.Баш (S.Bash) осуществил первое непрямое измерение систолического артериального давления по величине силы, которую надо было приложить извне с помощью специального баллона, чтобы исчез пульс лучевой артерии [БСЭ /медицина]. Более простой метод определения систолического давления в режиме декомпрессии артерии с помощью манжеты предложен в 1896 г. Рива-Рочи (S. Riva-Rocci). Рис. . Н.С.Коротков.Современный метод, основанный на прослушивании звуков, появляющихся после расправления стенки поджатой артерии, введен в медицину в 1905 году русским врачом Н.С. Коротковым (1874-1920) (см.п. 15.П.) [БМЭ /медицина, Lenichan 1980 GEN, Shevchenko 1996]. Доклад с изложением нового метода был заслушан на научном семинаре Императорской Военно-медицинской академии в Санкт-Петербурге 8 ноября 1905 г., а его перевод на английский язык появился лишь в 1941 г. [Shevchenko 1996]. Усовершенствование Коротковым метода Рива-Рочи состояло в более точном определении моментов времени, в которые измеряемое давление должно идентифицироваться с систолическим и диастолическим давлением артериальной системе. Эти моменты времени связаны с появлением механических колебаний звуковой частоты (звуки Короткова), а исследование закономерностей и условий их появления стало предметом детальных теоретических исследований (см.п.). Рис. . Сфигмоманометр Рива-Рочи, использо- вавшийся Н.С.Коротковым [Shevchenko 1996]. В конце XIX века начала развиваться экспериментальная реология. Принцип капиллярного вискозиметра был предложен еще в 1751 г. М.В.Ломоносовым, который назвал свой прибор «инструментом для исследования вязкости жидких материй по числу капель» [Чернух 1984]. В 1900 г. Хюрле (Hurle) использовал принцип капиллярной вискозиметрии для измерения вязкости крови in vivo. При этом в сосуд вставлялась микроканюля, соединенная с капилляром, по которому кровь попадала в мерную емкость, позволяющую определить ее объемный расход (flow-out-viscosimetry). В 1889 г. Ф.Н.Шведов впервые описал коаксиально-цилиндрический вискозиметр, с помощью которого он исследовал упруговязкие свойства растворов желатины, а через год появилось сообщение о вискозиметре М.Куэтта [Белкин 1968]. Физические явления все активнее использовались для количественных исследований физиологических процессов. В 1858г. Немецкий физиолог профессор медицины Karl von Vierordt (1818-1884) использовал стробоскопический эффект для измерения скорости кровотока в микрососудах плавательной перепонки лягушки. Считая, что эритроциты в сосудах движутся равномерно со скоростью v так, что разделяющие их средние расстояния h остаются неизменными, он определял скорость по частоте вспышек света, при которой наблюдалась кажущаяся остановка движения (каждая последующая клетка перемещалась на место предыдущей вниз по течению) [Чернух 1984]. При этом . Впоследствии стробоскопический метод использовался для измерения скорости кровотока в сосудах брыжейки и уха кролика.
Количественные методы 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].
Эргономика как раздел современной биомеханики
         В 1857 г. польским естествоиспытателем В.Ястжембовским был введен термин «эргономика» [БСЭ, эргономика] и новая наука начала интенсивно развиваться в разных странах мира. 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 [Кравченко 98]. 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». 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 велоэргометрические исследования проводились Амаром в сочетании с кардио- и сфигмографией [Brauer]. Проводя количественные исследования походки инвалидов на протезах конечностей, Амар преложил 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. 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, обустройства кухни – постоянного рабочего места домохозяйки. 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» (рис.), траектории движения тени по стене и фотоснимков. Были выделены типы трудовых движений (ударные и нажимные) и составленные из них последовательности «двигательных цепочек» [Гастев 1924, Кравченко 1998]. Во все времена среди ученых были люди, отличавшиеся особой энциклопедичностью знаний и широтой научных интересов; читатель без труда укажет имена таких естествоиспытателей среди упомянутых здесь и далее. Но по мере воздвижения барьеров между различными областями науки и роста числа исследователей доля энциклопедистов среди них неуклонно убывала. Девятнадцатый век еще явил созвездие имен физиков и врачей, одинаково блестяще работавших: первые - в медицине, вторые в физике. Увы, в XX веке врачи и биологи перестали стесняться того, что квадратный корень для них непостижимым, а механики и физики - своих до неприличия скудных познаний по совершенно элементарным вопросам биологии. И все же в первой половине века мы находим примеры естественного сочетания физического и биологического мышления. Русский физиолог В.В.Воронин (1870-1960) исследовал и движение клеток (хемотаксис), и механику сердечно-сосудистой системы, и теплоотдачу организмов. Особенно нужно выделить исследования Н.А.Бернштейна, 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 [Gocke]. Но как самостоятельное научное направление на пересечении современной механики, биологии и других дисциплин биомеханика возникла в последние 20-30 лет [Биомеханика: проблемы и исследования с.233-245; Медицинская биомеханика т.4,с.646-671; Достижения биомеханики в медицине с.39--59; Регирер 1980]. Интерес к проблемам механики, связанным со строением и функционированием живых систем, 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 наиболее целесообразными путями различного рода медицинские вмешательства. 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), после проведения большой серии экспериментов по исследованию движения и свойств жгутиков сперматозоидов о наличии в клетке скелетоподобных структур. 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. В результате исследований были разработаны новые методики ортопедических операций. 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. 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]. 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 пьезоэффект в кости в ряде экспериментов, а в 1955 году стимулировал рост костей при наложении внешнего электрического поля у подопытных животных. Затем совместно с другим японским исследователем Э.Фукадой (Eiichi Fukada) он показал, что источником пьезоэффекта 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. В качестве тем, традиционно обсуждавшихся в рамках этого двухгодичного мероприятия были спортивная и клиническая биомеханика, эргономика, механика опорно-двигательной системы и локомоций. На первом конгрессе по биомеханике было образовано Международной общество биомехаников (International Society of Biomechanics, ISB).
Литература по истории биомеханики
Аристотель О частях животных. М.:Гос.изд-во биологической и медицинской литературы. – 1937. – 219с.
Аристотель О возникновении животных. – М.:Изд-во АН СССР. – 1940. – 251с.
Аристотель Сочинения. Т.1. – М.:Мысль. – 1976. – 550с.
Арнольд В.И. Гюйгенс и Барроу, Ньютон и Гук. - М.: Наука, 1989.
Асмус В.Ф. Декарт. М. - 1956.
Белкин И.М., Виноградов Г.М., Леонов А.И. Ротационные приборы. – М.:Машиностроение. – 1968. – 272с.
Беркенблит М.Б., Глаголева Е.Г. Электричество в живых организмах. Библиотечка «Квант», вып.69. - М.:Наука. – 1988. – 88с.
Биомеханика: проблемы и исследования. – Рига:Зинатне, 1988. – 000 с.
Боголюбов А.Н. Роберт Гук. - М.: Наука, 1984.
Большая Медицинская Энциклопедия. М.:Изд-во СЭ /медицина
Большая Медицинская Энциклопедия. М.:Изд-во СЭ. Т.2. – 1975. – с.150-151 /??
Большая Медицинская Энциклопедия. М.:Изд-во СЭ. Т.24. – 1985. – с.396 /сфигмография
Большая Советская Энциклопедия. М.:Изд-во СЭ. т.2. – 1970. – с.414-415 /аускультация/
Большая Советская Энциклопедия. М.:Изд-во СЭ. т.21. – 1975. – С.451 /РамацциниБольшая Советская Энциклопедия. М.:Изд-во СЭ т.15. – 1974. - С.105--106.
Бородулин Ф. Р. Лекции по истории медицины. М. - 1955.
Домбровская Е.А. Н.Е.Жуковский. – М.-Л.:Государственное изд-во оборонной промышленности. – 1939. – 248с.
Вавилов С.И. Исаак Ньютон. - М.: Изд-во АН СССР, 1961.
Гастев А.К. Трудовые установки. – М.:ЦИТ. – 1924. – 303с.
Григорьян А.Т. Механика от античности до наших дней. М.:Наука. – 1974. – 480.
Громека И.С. О скорости распространения волнообразного движения жидкостей в упругих трубках. Собрание протоколов заседаний Секции физ.-мат. наук Об-ва естествоиспытателей при Казанском ун-те. 1883, т.I. То же. Отд. изд. Казань. 1883, 19 стр.
Гук Р. Микрография.
Декарт Рене Описание человеческого тела. Об образовании животного. Собр.соч. в 2 т. Т.1. – М.:Мысль. – 1989. - С.423-460.
Дмитриев И.С. Неизвестный Ньютон. СПб. - 1999.
Достижения биомеханики в медицине. – Рига: Риж. мед. ин-т, 1990.
Иваницкий Г.Р. 275 лет Российской академии наук и история биофизики //Биофизика. – 1999. – т.44,№6. – С.965-979.
История медицины /Под ред. Б.Д. Петрова. М. - 1954.
История механики в России. Киев:Наукова думка. – 1987. – 392с.
Карцев В.П. Ньютон. – М. – 1987.
Кобзарев И.Ю. Ньютон и его время. - М.: Знание, 1978.
Коротков Н.С. К вопросу о методах исследования кровяного давления //Известия Императорской Военно-медицинской академии. – 1906.
Космодемьянский А.А. Очерки по истории механики. – М.:Наука. – 1982. – 296с.
Костюк П.Г. Кальций и клеточная возбудимость. - М.:Наука, 1986. - 255 с.
Кравченко А. И. Классики социологии менеджмента: Ф. Тейлор и А. Гастев. - СПб.: РХГИ. – 1998. – 320с.
Кузнецов Б.Г. Ньютон. М., 1982.
Леонардо да Винчи. Избранные произведения. В 2 т. Т.1./ Репринт с изд. 1935 г. - М.: Ладомир, 1995. - 415 с.
Леонардо да Винчи Суждения о науке и искусстве. М.:Азбука. – 2001. – 702с.
Лункевич В. В. От Гераклита до Дарвина. т. 1. - М. - 1960.
Марей Э.Ж. Механика животного организма. Передвижение по Земле и по воздуху. СПб. - 1875.
Матвиевская Г.П. Рене Декарт. - М.: Просвещение, 1987.
Мачабели Л.И. Биомеханика и история ее развития. //Медицинская биомеханика. Т.4. 1975. – С.646-671.
Медицинская биомеханика. Т. 1-4. – Рига: Минздрав Латв. ССР, 1986.
Мейерхольд В.Э. 1968.
Навойчик А.И. Общая биомеханика: тексты лекций. – Гродно:Изд-во ГрДУ. – 2000. – 61с.
Ньютон И. Лекции по оптике. М.:Изд-во АН СССР. - 1946. – 295с.
Парди Математические проблемы в биологии. - М.:Мир. – 1966. - С.208
Петров Б.А. Диагностика в системе медицинских взглядов Ибн-Сины //Клинич. мед. - 1979. - т.57,№12. - С.91-96.
Платон Диалоги. М.:Мысль. – 1986.- 608с.
Регирер С.А. Лекции по биологической механике. Ч.1. – М.: Изд-во МГУ, 1980. – 144c.
Тикотин М. А. Леонардо да Винчи в истории анатомии и физиологии. — Медгиз, 1957.
Сеченов И.М. Избранные философские и психологические произведения. – М., 1947.
Уткин В.Л. Биомеханика физических упражнений. -
Физическая энциклопедия. Т.1. – М.:СЭ. – 1988. – с.208.
Флоренский П. Органопроекция //Декор.искусство. - 1969.- № 3. - С.39—42
Фолков Б., Нил Я. Кровообращение. – М.: Медицина. - 1976 - 486с.
Хаксли 1969 ?Эйлер Л. Письма к немецкой принцессе. ?????Янсон, Биомеханика и протезирование, 1992, No 1.
Aristotle's De Motu Animalium. /Nussbaum M.C. (ed) Princeton University Press. – 1990. – 430p.
Baldini U. Borelli, Giovanni Alfonso. Dizionario biografico degli Italiani.- Rome. – 1970. – 551p.
Brauer F. Masochism, Sadism and the ‘Taylored’ Body, Sacher-Masoch’s ‘Venus in Furs’ and Jules Amar’s‘Art of Work’ // Proc. conf. Art Association of Australia and New Zealand. – 2002.
Braun М. Picturing Time. The Work of Etienne-Jules Marey, 1830-1904. - University of Chicago Press. - 1994. – 472р.
du Bois-Reymond E. Bemerkungen uber die Reaction der elektrische Organe und der Muskeln. Berlin:Druck der Gebr. Unger'schen Hofbuchdr. - 1859
du Bois-Reymond E. Ueber die elektromotorische Kraft der Nerven und Muskeln. Berlin: Druck von Gebr. Unger. – 1867.
Breasted J.H. The Edwin Smith Surgical Papyrus. Chicago: University of Chicago Press. - 1930.
Bresler B., Frankel J. The forces and moments in the leg during level walking //Trans.ASME. - 1950. – P.27-36.
Cavanagh P.R. Biomechanics: a bridge builder among the sport sciences //Medicine and Science in Sports and Exercise. – 1990. - v.22,N5. - P.546-555.
Chapman G. Versatility of hydraulic systems // J. Exp. Zool.- 1975.-Vol.194, N1.- P.249-269.
Duchenne G.B.A. Action th&e_right_accent;rapeutique de la respiration artificielle par l'&e_right_accent;lectrisation des nerfs phr&e_right_accent;niques contre l'intoxication chloroformique. Paris:Typ. et lithographie F. Malteste. - 1855.
Duchenne G.B.A. De l'ataxie locomotrice progressive. R&e_right_accent;ponse &a_left_accent; la Revue critique de Axenfeld. Paris:P.Asselin. - 1863.
Dudley J.M. Evolution of the Human Foot //Amer.J.Anthropol. – 1922. – vol.5,N4. – P.305-336.
Dudley J.M. Evolution of the longitudinal arch of the human foot //J.Bone&Joint Surg. – 1924. – vol.6. – P.56-90.
Dudley J.M. Structural factors in static disorders of the human foot //Amer.J.Surgery. – 1930. – vol. 9. – P.315-326.
Dudley J.M. The human foot; its evolution, physiology, and functional disorders. New York: Columbia university press. - 1935.
Dudley J.M. Human locomotion and body form. A study of gravity and man. Williams and Wilkins, Baltimore. – 1952.
Elftman H. A cinematic study of the distribution of pressure in the human foot //Anat.Rec. – 1934. – vol.59. – P.481-487.
Elftman H. The measurement of the external force in walking //Science. – 1938. – vol.88. – P.152-153.
Elftman H. Forces and Energy Changes in the Leg During Walking //Am.J.Physiol. – 1939. – vol. 25. – P.339-356.
Encyclopedia Britannica. 1994-2001
Fenn W.O., Marsh B.S. Muscular force at different speeds of shortening //Journal of physiology. – 1935. – vol.85,N3. – P.277-297.
Ford B.J. Single Lens: The Story of the Simple Microscope. Harper Collins Publ.. – 1985. – 182p.
Frank O. Die grungform des arteriellen Pulses //Zschs.Biol. – 1899. – V.37. – P.483.
Frank O. Schatzung des Schlagvolumens des menschlichen Herzens auf Frund der wellen-und Windkessel theorie //Z.Biol. – 1930. – v.90. – P.405-409.
Fung Y.-Ch. Biomechanics, its scope, history and some problems of continuum mechanics in physiology //Appl.Mech.Rev. – 1968. – v.21,N1. (Русс.перевод см. Фын Ян-Чен Биомеханика, ее предмет, история и некоторые проблемы применения механики сплошной среды в физиологии //Механика. Сб.переводов. – М.:Мир. – 1969).Fung Y.-Ch. Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues. – Berlin:Springer-Verlag. - 1993.
Gilbreth F. Bricklaying System. N.-Y. and Chicago, The Myron C. Clark Publishing Co. - 1909. (Reprint edition: Easton P.A., Hive Publishing, 1974.)Gilbreth F., Gilbreth L. Motion Study for the Handicapped . N.-Y., The MacMillan Co. – 1920. (Reprint edition: Easton P.A., Hive Publishing Co. - 1973).Gregor R.J., Cavanagh P.R., LaFortune M. Knee flexor moments during propulsion in cycling--a creative solution to Lombard's Paradox. //J Biomech. – 1985. – vol.18,N5. – P.307-316.
Hill A.V. The heat of shortening and the dynamic constants of muscle //Proc. R. Soc. London (Biol.). – 1938. – vol.126. – P.136-195.
Hill A.V.: The series elastic component of muscle //Proc.R.Soc.London (Biol.). – 1950. – vol.137. – P.273-280.
Hill A.V.: The mechanics of active muscles //Proc. R. Soc. London (Biol.). – 1953. – vol.141. – P.104-117.
History of the Study of Locomotion:Prosthetics http://www.univie.ac.at/cga/history/prosthetics.html
Huxley H.E. The mechanism of muscle contraction //Science. - 1969. – v.164. – P.1356-1365.
Inman V.T., Ralston H.J., Todd F. Human Walking. Williams and Wilkins, Baltimore/London. – 1981.
Korteweg D.J. Uber die Portpflanunges schwindigkeit des Schalles in elastischen Rohren //Ann.Physik und Chemie, Ser.3, 1873. - v.5. – p.525-542.
Lamoreux L. Experimental Kinematics of Human Walking. Ph.D. Thesis. University of California at Berkeley. – 1970.
Lombard, W.P. The effect of fatigue on voluntary muscular contractions. //Amer.J.Psych. - 1890. –vol.3,N1. – P.24-42.
Lombard, W.P. The action of two-joint muscles. //Amer.Phys.Educat.Rev. - 1903. – vol.8. - P.141-145.
Lombard, W.P., & Abbott, F.M. The mechanical effects produced by the contraction of individual muscles of the thigh of the frog. //Amer.J.Physiol. - 1907. – vol.20. – P.1-60.
Marey E.J. La chronophotographie. Paris:Gauthier- Villars. - 1899.
Marey E.J. La machine animale, locomotion terrestre et aerienne. Paris:G. Bailliere. - 1873. - 299p.
Marey E.J. Le mouvement, par E.J. Marey. Paris:G. Masson. - 1894. - 335 p.
Oster G. Auditory beats in the brain. Scientific American, 1973. 229:94-102.
Rashevsky N. Mathematical biophysics, physico-mathematical foundations of biology. in 2 vols. Dover Publ. – 1960.
Rilton, 1926
Saunders J.B., Inman V.T., Eberhart H.D. The major determinants in normal and pathological gait //J.Bone and Joint Surgery. – 1953. - 35A. – Р.543-558.
Sherrington Ch.S. Reflexes in response to stretch (myotatic reflexes). Written with E. G. T. Liddell. //Proc. Royal Soc. London. Ser.B, Biological Sci. – 1924. – vol.86. – P.212-242.
Shevchenko Y.L., Tsitlik J.E. 90-th anniversary of the develipment by Nikolai S. Korotkoff of the auscultory method of measuring blood pressure. //Сirculation. – 1996. v.94,N2. – P.116-118.
Singer C.J. A Short History of scientific Ideas to 1900. New York. Oxford University Press. – 1959. – 402p.
Young Т. Hydraulic investigations subservient to an intended Croonian lecture on the motion of the blood //Phil. Trans. Roy. Soc. – 1808. – 98. Р.164-186.
Young T. On the functions of the heart and arteries: the Croonian Lecture. //Philosophical Transactions of Royal Society. - 1809. v.99. – P.1–31.

Приложенные файлы

  • docx 8840868
    Размер файла: 125 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий