Біомеханіка

Біомеха́ніка (від біо… та механіка) — розділ біофізики, в якому вивчають механічні властивості живих тканин, органів і організмів та механічні явища, що відбуваються в біологічних системах, послуговуючись принципами та методами механіки, математики, анатомії, фізики, фізіології та інших наук.

Історична довідка

Біомеханіка зародилася і розвивалася із початком вивчення локомоції тварин і людини: ще в античні часи рухи описали Аристотель і Гален із Пергама. Леонардо да Вінчі в епоху Відродження вивчав і описав механіку ходіння, стрибків та інших рухів людини, будову й рухи пташиних крил. Р. Декарт заклав основи рефлекторної теорії, пов’язав походження мимовільних рухів із зовнішніми подразниками, які впливають на органи чуття.

Засновником біомеханіки як науки вважають фізіолога, математика і фізика Дж. Бореллі (1608–1679; Італія), який з позицій механіки намагався пояснити дихання, рух крові та роботу м’язів.

Наприкінці 19 ст. анатом В. Брауне (1831–1892) та фізіолог О. Фішер (1861–1917; обидва Німеччина) уперше здійснили тривимірний математичний аналіз людської ходи, детально вивчили динаміку переміщень кінцівок і загального центру ваги людини під час нормального ходіння. М. О. Бернштейн теоретично обґрунтував процеси управління рухами, розробив нейрофізіологічні концепції (які стали основою формування сучасної теорії біомеханіки рухів людини), у теорії про кільцевий характер процесів управління розвинув ідеї І. М. Сєченова про рефлекторну природу управління рухами.

Характеристика

Біомеханіка вивчає закономірності руху та деформування різних біологічних систем і їхніх складників під дією чинників довкілля. Проблеми, які вирішує біомеханіка, одночасно важливі для технічних і медико-біологічних наук. Це обумовлено виникненням у процесі еволюції біологічних систем із оптимальною будовою і фізико-хімічним складом, які відповідають їхнім фізіологічним функціям і визначають їхню рухову активність та механічну поведінку.

Біомеханіка поєднує досягнення, методи, методики, принципи різних наук: медичних, анатомії, фізіології, біофізики, математики, кібернетики тощо.

У галузі біомеханіки працюють інженери, конструктори, технологи, програмісти, які для вирішення своїх завдань застосовують техніку.

Об’єкт, предмет

Об’єкт дослідження біомеханіки — рухова діяльність живих систем, предмет — особливості її використання у різних сферах (включно з фізичною культурою).

Напрями

Найважливішими напрямами наукових досліджень у сучасній біомеханіці є:

механіка опорно-рухового апарату (скелета, м’язів) людини та тварин;
природні локомоції людини і тварин (плавання, політ, наземні пересування);
фізичні основи, механізми управління (регуляції) у біологічних системах;
фізичні основи психомоторики та закономірності формування у людини і тварин складних рухових навичок, заданих моделей рухів і рухових дій;
рухова діяльність операторів штучних систем з метою раціоналізації, оптимізації та підвищення ефективності;
різні прояви рухової активності та здібностей людини до розв’язання складних рухових завдань в екстремальних умовах (орбітальних польотах, у відкритому космосі, у стратосфері, під водою, в умовах наднизьких та надвисоких температур);
розробка технологій і засобів (на основі фізичних методів) для вивчення ознак і явищ у живих системах з метою спрямованого впливу та захисту від дії зовнішніх чинників;
створення замінників органів і тканин (передусім для потреб медицини);
розробка моделей ефективного розв’язання людиною складних рухових завдань у різній професійній (трудовій), військовій, космічній, мистецькій діяльності, фізичному вихованні та спорті;
розробка методик і технологій ефективного навчання людини рухів та різних способів розв’язання складних рухових завдань;
розробка технічних засобів (тренажерів) та спорядження (включно з медичним обладнання та спортивним інвентарем), призначеного для відновлення тимчасово втрачених функцій (у медицині), а також для розширення й удосконалення рухових можливостей людини у різних видах її професійної (трудової), військової практики, фізичній культурі та спорті.

Структура

За спеціалізацією виділяють такі види:

біомеханіка фізичних вправ (вивчає рухову діяльність людини під час спортивних занять, тренувань і змагань, включно з оздоровчими формами фізкультури);
біомеханіка праці (ергономіка, пов’язана із оптимізацією рухів на конвеєрних процесах);
інженерна біомеханіка (створення роботів);
медична біомеханіка (протезування в хірургії, стоматології тощо).

Значення

Вивчення будови та механічних властивостей біологічних тканин, органів тощо дає змогу створити матеріали (здебільшого композити), найбільш придатні для заміщення втрачених або пошкоджених природних структур.

Розуміння суті механічних явищ, які виникають у живих системах, відкриває можливість відпрацювати нові підходи до лікування певних (насамперед ортопедичних) захворювань.

Здобутки біомеханіки застосовують в авіа-, судно- й приладобудуванні, робототехніці, матеріалознавстві, архітектурі, зеленому будівництві, медичному протезуванні, ергономіці тощо.

В Україні

Біомеханічні дослідження локомоторної системи тварин в Україні проводять в Інституті зоології ім. І.І. Шмальгаузена НАН України, Морської біології інституті НАН України (до 2014 проводили і в Біології південних морів ім. О.О. Ковалевського НАН України). Рухи людини вивчають в Інституті математики НАН України, клінічну біомеханіку кровообігу та опорно-рухового апарату людини — в Інституті травматології та ортопедії НАМН України, біомеханіку спортивних рухів — у Національному університеті фізичного виховання і спорту України.

Література

Живчак Й., Єнча А., Еліашова А. Біомеханіка людини. Ужгород : Закарпаття, 2011. 90 с.
Knudson D. Fundamentals of Biomechanics. 3rd ed. Cham : Springer, 2021. 252 p.
Garcia M. B. Global Innovations in Physical Education and Health. Hershey : IGI Global, 2025. 628 p.
Holzapfel G. A., Humphrey J. D., Ogden R. W. Biomechanics of Soft Biological Tissues and Organs, Mechanobiology, Homeostasis and Modelling // Journal of the Royal Society Interface. 2025. Vol. 22. Is. 222. P. 1–33. URL: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11775666/