Таким образом, уже в начале тридцатых годов Н. А. Бернштейн вплотную подходит к фундаменту теории цикличности управления движениями. И если в вопросе о необходимости непрерывной сенсорной коррекции он пока только фактами подтверждал гипотезу И. М. Сеченова, то в дальнейшем уже выступает совершенно самостоятельно.
Следующим важным вопросом, который он решил, была связь между мышечным напряжением и результирующим движением. О том, что между мышечным напряжением и результирующим движением нет прямой связи, а существует какая-то иная, мог догадаться еще О. Фишер. Но Н. А. Бернштейн пошел дальше. Он сделал попытку разработать дифференциальное уравнение хотя бы примитивного движения. Результаты были неожиданными. Выяснилось, что не только нельзя говорить о прямой зависимости, но, более того, мышечное напряжение и результирующее движение оказались взаимосвязанными, т. е. воздействующими друг на друга. Это было математическое доказательство цикличности управления движениями. В 1935 году Н. А. Бернштейн публикует эти данные в «Архиве биологических наук», и эту дату, очевидно, нужно считать началом его публикации по теории управления движениями.
Судя по его рассказам, еще в начале своей работы Н. А. Бернштейн задумывался над тем, что наиболее интересные факты, связанные с изучением вопроса об управлении движениями у человека, можно получить лишь тогда, когда эти движения выполняются в условиях максимальных нервно-мышечных напряжений, а таковые чаще всего бывают в спорте. Поэтому он еще в 1925 году сделал первые попытки наладить связь с Московским институтом физкультуры. Однако тогда эти попытки оказались неудачными. Лишь осенью 1934 года приступил к работе в Центральном научно-исследовательском институте физкультуры. Именно здесь удалось сделать то, к чему он стремился много лет: Бернштейн добился четкого изложения общей теории координации движений человека в целом.
Три звена кинематической цепи — так можно при первом приближении представить руку человека — скреплены между собой суставами, имеющими не менее двух, а плечевой даже трех осей вращения. Поскольку для определения степеней свободы последнего звена (в данном случае кисти) количество этих осей суммируется, то получается, что она имеет как минимум семь степеней свободы, т. е. может перемещаться по семи независимым траекториям. Это только одна кисть, но у человека их две, не считая пальцев, их подвижности.
Если суммировать все возможные степени свободы конечных звеньев рук и ног и учесть подвижность суставов корпуса, то получается, что звенья тела человека обладают совершенно невообразимым объемом движений, который выражается трехзначным числом. Вещь, пока немыслимая при изготовлении механизмов. Экскаватор, например, имеет четыре степени свободы, да и то за каждой из них следит машинист. Самые сложные манипуляторы, работающие в «горячих лабораториях», все же лишь приближенно имитируют работу человеческих рук.
Как же справляется нервная система с таким обилием всевозможных траекторий движений, как использует их в ходе самого движения, что же, наконец, есть координация движений, если учесть такое кинематическое богатство конечностей человека? Вот вопрос, на который следовало дать ответ до разработки даже поверхностной теории управления движениями человека.
Работая над материалом, накопленным при исследовании бега выдающихся спортсменов, Николай Александрович и получил ответ на этот вопрос.
Прежде всего следует отметить одну важную деталь, свойственную движениям, выполняемым сложными кинематическими цепями. Речь идет о реактивных силах и вызываемых ими движениях. Обилие этих сил и было отмечено при первом рассмотрении бега братьев Знаменских и Жюля Лядумега.
Еще в 1928 году Н. А. Бернштейн обнаружил, что в структуре движения человека, например при ходьбе, можно проследить усилия, которые никак не связаны с непосредственной деятельностью центральной нервной системы, и разыгрываются эти усилия только на периферии, как результат реакции одного звена на движения взаимосвязанных с ним соседних. Подобные усилия и вызываемые ими движения, разумеется, не могут быть случайными или пассивными.
Анализируя материалы по бегу братьев Знаменских и Жюля Лядумега, Н. А. Бернштейн был поражен не только обилием подобных реактивных «образований» в структуре бега этих спортсменов, но и закономерным распределением «переливов» реактивных усилий по всей системе ног.