Элементы механики опорно-двигательного аппарата человека

Опорно-двигательный аппарат человека состоит из сочлененных между собой костей скелета. Кости скелета действуют как рычаги, которые имеют точку опоры в сочленениях или во внешней среде и приводятся в движение силой тяги, возникающей при сокращении мышц, прикрепленных к костям.

Рычаг первого рода, обеспечивающий перемещение или равновесие головы в сагиттальной плоскости.

На рис. 7.22 изображен череп и действующие на него силы.

Ось вращения (О) проходит через сочленение черепа с первым позвонком. На череп действуют две силы, приложенные по разные стороны от оси.

• Сила тяжести (R), приложенная к центру тяжести черепа. Плечо этой силы обозначено буквой Ь.

• Сила тяги мышц и связок (F), приложенная к затылочной кости. Плечо этой силы обозначено буквой а.

Рис. 7.22. Рычаг в сагиттальной плоскости черепа

Условие равновесия рычага F·а = R·b.

Рычаг второго рода, дающий человеку возможность вставать на цыпочки.

На рис. 7.23 изображена стопа и действующие на нее силы.

Рис. 7.23. Стопа в положении на цыпочках

Ось вращения (О) проходит через головку плюсневых костей. На стопу действуют две силы, приложенные по одну сторону от оси.

• Сила тяжести (R), равная половине силы тяжести, действующей на все тело. Плечо этой силы обозначено буквой b — расстояние от соединения стопы до точки контакта плюсны и пола (обычно 12см);

• Сила тяги мышц (F), передаваемая с помощью ахилловых сухожилий и приложенная к выступу пяточной кости. Плечо этой силы обозначено буквой а — расстояние от точки опоры до точки действия ахилловых сухожилий (обычно 18 см).

Условие равновесия рычага: F·a = R·b. В данном случае а > b, следовательно, F < R. Поэтому рычаг дает выигрыш в силе, но проигрыш в перемещении.

По принципу рычага второго рода работает предплечье человека.

На рис. 7.24 изображены предплечье и кисть с грузом, а также действующие на них силы.

Рис. 7.24. Кости предплечья, участвующие в удержании предмета кистью

Ось вращения (О) находится в локтевом суставе. На рычаг действуют две силы, приложенные по одну сторону от оси.

• Сила тяжести (R), равная весу груза. Плечо этой силы обозначено буквой b.

• Сила тяги мышц (F), передаваемая с помощью бицепса. Плечо этой силы обозначено буквой а.

Условие равновесия рычага: р·а = R·b. В данном случае а < b, следовательно, F > R. Поэтому рычаг дает проигрыш в силе (примерно в 8 раз). Целесообразно ли такое устройство? На первый взгляд, как будто нет, поскольку имеется потеря в силе. Однако согласно «золотому правилу» механики потеря в силе вознаграждается выигрышем в перемещении: перемещение кисти в 8 раз больше

величины сокращения мышцы. Одновременно происходит и выигрыш в скорости движения: кисть движется в 8 раз быстрее, чем сокращается мышца.

Таким образом, способ прикрепления мускулов, который имеется в теле человека (животных), обеспечивает конечностям быстроту движений, более важную в борьбе за существование, нежели сила. Человек был бы крайне медлительным существом, если бы руки у него не были устроены по этому принципу.