Биомеханические особенности костной системы

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ДВИЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА

Биомеханические особенности костной системы

Двигательная деятельность человека требует согласованной работы организма в целом, но главная роль при этом принадлежит двигательному аппарату. С механической точки зрения двигательный аппарат человека представляет собой механизм, состоящий из сложной системы рычагов, приводимых в действие мышцами. Однако при изучении движений человека и причин, их вызывающих, было бы неправильно ограничи­ваться только представлениями механики. Для того, чтобы понять устройство двигательного аппарата и принцип его действия, необходимо иметь в виду биологическую природу "механизмов" человеческого тела. Анализ деятельности двигательного аппарата с биологической точки зрения позволяет вскрыть своеобразие устройства и принципа действия "живых механизмов". Таким образом, изучая движения человека, необходимо хорошо знать, как устроен его опорно-двигательный аппарат с точки зрения биомеханики. Это означает, что следует ясно представлять себе принципы строения его пассивной (кости и их соединения) и активной (мышечная система) частей. В отличие от анатомии, которая изучает все детали строения тела, для биомеханики важно выявить именно те особенности строения, от которых зависят свойства органов опоры и движения, а также их участие в выполнении двигательной функции.

В биомеханическом исследовании невозможно учесть строение и функции тела во всех их особенностях. Для изучения движений строят модель тела — биомеханическую систему. Она обладает основными свойствами, существенными для выполнения двигательной функции, и не включает в себя множество частных деталей. Таким образом, биомеханичес­кая система — это упрощенная копия, модель тела человека, на которой можно изучать закономерности движений.

Двигательную часть человека составляют костная и мышечная системы.

Основным свойством, которым обладает костная система, является свойство упругости.

Упругость — способность противодействовать нагрузкам.

Нагрузками называются силы, приложенные к телу и в совокупности вызывающие его деформацию.

Различают нагрузки, вызывающие растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Нагрузки, обуславливающие растяжение, возникают, на­пример, при висах или во время удержания груза в опущен­ных руках.

Нагрузки, создающие сжатие костей, встречаются чаще всего при вертикальном положении тела на опоре. В этом случае на скелет действуют, с одной стороны, силы тяжести тела и вес внешних отягощений, а с другой - давление опоры.

Нагрузки, вызывающие изгиб, обычно встречаются, когда кости выполняют роль рычагов. В этих случаях приложенные к ним силы мышц и силы сопротивления направлены поперек костей и вызывают изгиб.

Нагрузки, обуславливающие кручение, чаще всего встречаются при вращательных движениях звена вокруг продоль­ной оси.

Соединение звеньев. Соединения костных звеньев обусловливают многообразие возможностей движений. От способа соединения и участия мышц в движениях зависит их направление и размах (пространственная форма движений).

Степени свободы движения. Суставы, связывая в единое целое части тела, сохраняют возможности для их движений. Если часть тела может двигаться только по одной траекто­рии, причем возможности движений по всем остальным тра­екториям ограничиваются связями, в механике говорят об одной степени свободы, или о степени подвижности.

Совершенно свободное тело имеет шесть степеней свободы. Оно может вращаться вокруг трех основных взаимно перпенди­кулярных осей, а также двигаться вдоль каждой из этих осей.

Если закрепить тело в одной точке, то у него остается только три степени свободы: оно может вращаться вокруг этой точки в трех основных направлениях (плоскостях). При закреплении тела еще в одной точке оно как бы насаживается на ось, соединяющую обе данные точки. В этом случае сохраняется лишь одна степень свободы: тело может вращаться лишь вокруг оси, проходящей через обе закрепленные точки.

Если же закрепить тело и в третьей точке, не лежащей на одной прямой с остальными двумя точками, то оно потеряет последнюю степень свободы: будет закреплено неподвижно.

Возможности движений отдельных точек тела при зак­реплении тела несколько иные. При одной закрепленной точ­ке любая точка этого тела имеет только две степени свободы, т.е. она может двигаться только в двух направлениях по ша­ровой поверхности. При двух закрепленный точках тела у любой его точки будет лишь одна степень свободы, т.е. воз­можна одна траектория движения. Само собой разумеется, что у тела, закрепленного в трех точках, нет ни одной степени свободы. У совершенно свободного тела любая точка имеет всего три степени свободы, т.е. может двигаться в любом из трех направлений трехмерного пространства.

Понятие о степенях свободы поможет разобраться в воп­росе о подвижности частей тела. Несколько подвижно соеди­ненных звеньев составляет кинематические пары и цепи.

Биокинематическая пара - это подвижное (кинематическое) соединение двух костных звеньев, в котором воз­можности движений определяются строением соединения и управляющим воздействием мышц.

Кинематическая цепь - это последовательное или разветвленное соединение ряда кинематических пар. Кинематическую цепь, в которой конечное звено свободно, называют незамкнутой, а цепь, в которой нет свободного конечного звена, - замкнутой.

В каждом соединении незамкнутой цепи возможны изолированные движения. Они геометрически независимы от движений в других соединениях (если не учитывать взаимодействия мышц). Например, свободные конечности, когда их концевые звенья свободны, представляют незамкнутые цепи. Замкнутыми кинематическими цепями в теле человека являются, например, грудина, ребро, позвоночник, ребро и снова грудина.

Такие замкнутые цепи разомкнуть невозможно. Незамкнутые могут замыкаться, причем часто через опору. В сложной пирамиде, составленной несколькими акробатами, образуются даже своего рода "сети" (в плоскости) и "решетки" (в пространстве) с очень сложной взаимной зависимостью дви­жений звеньев.

В замкнутой или замкнувшейся цепи невозможно изолированное движение, т.е. движение в одиночном сочленении. Так, сгибая и выпрямляя ноги в выпаде, можно убедиться в том, что движение в любом суставе непременно вызывает дви­жения и в других.

Таким образом, движения в незамкнутых цепях характеризуются относительной независимостью звеньев. В замкнутых же, а также замкнувшихся цепях движения одних звеньев влияют на движения даже отдаленных звеньев (помогают или мешают).

В замкнутых цепях возможностей движений меньше, но управление ими точнее, чем в незамкнутых.

В открытой кинематической цепи подвижность каждого следующего звена равна его собственной подвижности плюс подвижность предыдущих звеньев. Так, если у бедра три сте­пени свободы, а у голени относительно бедра еще две степени, то голень относительно таза имеет пять степеней свободы. Наибольшие возможности движений - у конечных звеньев цепи. Но больше шести степеней свободы конечное звено цепи иметь не может. Если же при суммировании степеней свобо­ды получается, что конечное звено имеет их больше шести, то это только значит, что при фиксировании этого звена промежуточные звенья сохраняют степени свободы на шесть степе­ней меньше. Так, кисть имеет относительно лопатки семь сте­пеней свободы (плечевой сустав - 3, плюс локтевой - 2, плюс лучезапястный - 2). Если положить кисть на стол, то плечо и предплечье сохраняют 7-6=1 степень свободы. Они смогут двигаться лишь по одной траектории, вокруг оси, соединяющей плечевой и лучезапястный суставы.

Кости, соединенные подвижно, образуют основу биокинематических цепей. Приложенные к ним силы (мышечные тяги и др.) действуют на звенья биокинематической цепи, как на рычаги. Это позволяет передавать действие силы по цепям, а также изменять эффект приложения сил. Таким образом, рычаг как простейший механизм служит для передачи движения и силы на расстояние.

Различают рычаги первого рода (двуплечий) и второго рода (одноплечий). Первый характеризуется тем, что две группы сил приложены по обе стороны от оси (точки опоры) рычага, а во втором случае - по одну сторону.

Вне зависимости от вида рычага в каждом из них выделяют:

точку опоры;

точку приложения сил;

плечи рычага (расстояние от точки опоры до места приложения сил);

плечи сил (длина перпендикуляра, опущенного из точки опоры на линию действия силы).

Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относи­тельно точки опоры. Поэтому для равновесия либо равномер­ного вращательного движения звена как рычага необходимо, чтобы противоположно направленные моменты сил относи­тельно оси рычага были равны. Для ускорения (торможения) звена один момент силы должен быть больше другого. Так, момент движущих сил, преобладая над моментом тормозящих сил, придает звену положительное ускорение (в сторону движения). Если же большим оказывается момент тормозя­щих сил, то он вызывает торможение звена.

С помощью рычага можно выиграть в силе. Для этого нужно действовать мышечной силой на более длинное плечо. Согласно "золотому правилу механики", выигрывая в силе, одновременно проигрываем в пути и в скорости. Наоборот, если действовать мышечной силой на короткое плечо, то мож­но выиграть в пути и в скорости за счет проигрыша в силе.

В большинстве случаев мышцы прикрепляются недалеко от сустава и подходят к кости под острым углом. Поэтому плечо силы тяги мышцы, как правило, небольшое. Обычно плечо силы тяги мышц меньше плеча силы сопротивления, и, следовательно, при работе мышцы получается проигрыш в силе и выигрыш в пути и в скорости движения. Для некото­рого увеличения плеча силы тяги мышц большое значение имеют костные выступы, бугры, сесамовидные косточки, к которым мышцы прикрепляются или через которые они переходят. Выступы, бугры, сесамовидные косточки увеличивают угол подхода мышцы к кости как к рычагу, тем самым уве­личивают плечо силы тяги мышцы и момент вращения мышечной силы. Таким образом, можно выделить две причины проигрыша в силе. Первая - прикрепление мышцы вблизи сустава, вторая - тяга мышцы вдоль кости под очень острым (или тупым) углом.

Можно указать еще и на третью причину некоторых потерь в силе мышц. При больших нагрузках напрягаются все мышцы, окружающие сустав. Мышцы-антагонисты, создавая моменты сил, которые направлены противоположно, полезной работы не производят, а энергию затрачивают. Но в конечном счете в этом есть определенный смысл: хотя и возникают по­тери энергии, сустав во время больших нагрузок получает ук­репление напряжением мышц, которые его окружают.

В связи с особенностями приложения мышечных тяг к костным рычагам необходимы весьма значительные напряжения мышц для выполнения не только силовых, но и скоростных движении. При этом следует помнить, что входящие в биокинематические цепи звенья тела образуют системы составных рычагов, в которых "золотое правило" механики проявляется намного сложнее, чем в простых одиночных рычагах.