Тема 4. ТЕЛО ЧЕЛОВЕКА КАК БИОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

1. Механические свойства звеньев и их соединений 2. Соединения звеньев 3. Звенья как рычаги

4.Биомеханические свойства мышц 5. Механическое действие мышц 6.Групповые взаимодействия мышц

Строение и функции органов опоры и движения отличаются у че­ловека большой сложностью. Этим обусловлено чрезвычайное много­образие возможностей положений и движений тела. Особенности тела человека, в частности двигательного аппарата, дают основание рассматривать тело в целом и его части как особые биомеханические системы.

Под биомеханическими системами понимается объединение живых объектов(например, органов, тканей), обладающих общими особенностями в проявлении законов механического движения, а также общими особенностями способов управления ими, участия в этих дви­жениях или в их использовании. Различают системы активные(всего тела, двигательного аппарата) и пассивные (внутренних органов, мягких и жидких тканей). Особый интерес для изучения дви­жений человека представляет биомеханическая система его двигатель­ного аппарата, которая служит: а) источником энергии, б) механизмом для передачи усилий, в) объектом движения и г) системой управле­ния.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗВЕНЬЕВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ

С позиций теории механизмов и машин1 части тела человека, имеющие подвижные соединения, принято рассматривать как звенья, составляющие биокинематические пары и цепи. Звенья цепей и их соединения находятся под действием приложенных к ним сил (нагру­зок). В этих условиях проявляются особенности строения и функции (механические свойства) тела человека, влияющие на выполнение движений.

Виды нагрузок и характер их действия

Силы, приложенные к телу и в совокупности вызывающиеегодеформации2, называются нагрузками. (Деформация — изменение формы и размеров.)

К основным видам деформаций относятся: растяжение, сжатие, изгиб, кручение и сдвиг(рис. 2). Кости скелета и мягкие ткани при деформации под действием при­ложенных сил (нагрузок) противодействуют им.

Рис. 2. Нагрузки, вызывающие деформацию:

А — растяжение; б — сжатие; в — изгиб; г — кручение (ориг.). На схемах внизу — смещение элементов (по С. Э. Хайкипу)

Нагрузки, обусловливающие растяжение,—это самые харак­терные нагрузки для мягких тканей. Они возникают, например, при висах (см. рис. 2, а) или во время удержания груза в опущенных руках.

Нагрузки, создающие сжатие костей и хрящей, 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 (см. рис. 2, б).

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 (см. рис. 2, в).

Наконец, нагрузки, обусловливающие кручение, чаще всего встречаются при вращательных движениях звена вокруг продольной оси (см. рис. 2, г).

По характеру действия различают нагрузки статические и дина­мические. Первые обычно постоянны по величине и, как правило, относительно невелики. Вторые возникают при движениях1, когда приложены силы инерции; они изменяются и могут нарастать до очень больших величин (например, нагрузки на сжатие после падения с боль­шой высоты, нагрузки на изгиб при ударе). Такие динамические на­грузки, особенно действующие не в обычном направлении (например, при ударе поперек кости), могут превысить запас прочности того или иного звена, тогда произойдет повреждение двигательного аппарата.

Мышцы, суставные сумки, связки, а также хрящи, соединяющие кости скелета, деформируясь, уменьшают действие дина­мических нагрузок. Особенно большую роль в смягчении этого действия играют благодаря своей упругости мышцы. Если они недостаточно амортизируют нагрузку, то повреждаются связки и хрящи, а иногда даже и кости и сами мышцы.

Кости, как твердые тела, при передаче силвыполняют роль рычагов.

В биомеханике рассматривают в качестве твердых рычагов многие части тела (плечо, бедро и т. д.); считается, что они не изменяют своей длины, не сгибаются и не скручиваются.

Упругие деформации

Упругие деформации возникают в теле под действием нагрузки и исчезают при ее снятии.

Изменение формы (деформация) тел под действием приложенных к ним сил — свойство всех реальных тел2. Абсолютно твердых тел, которые не деформируются ни прикаких условиях, в природене су­ществует.

В случае упругой деформации форма тела после прекращения дейст­вия деформирующей силы восстанавливается (например, стальная пружина) в отличие от пластической деформации, которая остается после снятия нагрузки, т. е. прежняя форма уже не восстанавливается (например, сырая глина). Таким образом, упругость — свой­ство тела самостоятельновосстанавливатьпосле деформации свою форму.

Упругая сила (сила упругого напряжения), противодействуя изме­нению формы, нарастает и, в конце концов, прекращает деформацию как останавливающая сила — в этот момент она становится равной деформирующей нагрузке. Эта же упругая сила при снятии деформи­рующей нагрузки восстанавливает прежнюю форму тела как восста­навливающая сила. Напряжение деформированного тела измеряется в килограммах на квадратный сантиметр его сечения3.

Рассмотрим зависимость между деформацией тела и напряжением (на примере мягкой стали). Можно выделить 4 основных варианта:

зона линейной упругости — напряжение прямо пропорционально деформации (идеальная пружина). После разгрузки деформация пол­ностью исчезает;

зона нелинейной упругости — на равные приращения деформации приходятся все меньшие (как у мягкой стали) или все большие (как у мышцы) приращения напряжения; после разгрузки форма тела пол­ностью восстанавливается;

зона пластической деформации — с увеличением деформации напря­жение нарастает; после разгрузки форма тела восстанавливается не полностью (остаточная деформация);

зона разрушения — тело начинает разрушаться.

Зоны деформации различны у разных тел. Несколько упрощая, можно сказать, что у каждого тела в определенных условиях одна из зон больше других. Поэтому принято называть тело в зависимости от преобладающей зоны деформации линейно упругим, нелинейно упругим, пластическим или хрупким1. Как было сказано выше, после упругой деформации происходит полное восстановление формы (линия ЛО); после пластической может произойти некоторое ее восстановление (линия БВ), но будет еще остаточная деформация (05).

В пределах малых деформаций упругих тел напряжение пропор­ционально деформации. Это выражено в законе Гука: s=Еe (линейная упругость) — «растяжение нагруженного тела пря­мо пропорционально нагрузке». Коэффициент Е (коэф­фициент пропорциональности) называется модулем Юнга (продольной упругости). Он показывает, насколько изменяется напряжение при деформации данного тела, как тело сопротивляется деформации. Тела, для малых деформаций которых необходимы большие нагрузки, вызы­вающие большие напряжения, называются жесткими. Например, для чугуна модуль Юнга равен 900 000 кГ/см³; для кожаного ремня — 2000 кГ/см³; для мышцы — от 10 до 120 кГ/см² и более. Считают, что модуль мышцы может изменяться более чем в 100 раз (приближенные данные).

Мышцы как упругие тела обладают нелинейной упругостью и не­пременной жесткостью.

СОЕДИНЕНИЯ ЗВЕНЬЕВ

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

2.1. Кинематические пары

Кинематическая пара — это подвижное соединение двух звеньев. Способ соединения накладывает ограничения (связи) на относи­тельное движение (степени связи); наличие подвижности в соеди­нении предоставляет звеньям определенные возможности отно­сительного движения (степени свободы движения).

Различают связи: а) геометрические (постоянные пре­пятствия перемещению в каком-либо направлении) и б) кинема­тические (ограничениескорости, например, мышцей-антаго­нистом) .

Кинематические пары бывают: а) поступательные— одно звено может перемещаться поступательно по другому (например, боковые движения нижней челюсти); б) вращательные(па-пример, повороты в наиболее распространенных в теле человека ци­линдрических и шаровидных суставах); в) винтовые с сочетанием поступательного и вращательного движений (например, в голеностоп­ном суставе).Соединения, допускающие поворот звеньев пары, назы­вают шарнирами.

Кинематические цепи

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 мыши). Например, свободные конечности, когда их концевые звенья свободны (рис. 4, а), представляют незамкнутые цепи. Замкнутымикинематическими 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 (см. рис. 4, а). 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 одиночное изолированное движение, т. е. движение в одном соединении. Так, сгибая и выпрямляя ноги в выпаде, можно убедиться в том, что движение в любом суставе непременно вызывает движения и в других (см. рис. 4, б).

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).

Например, сгибая руки в локтевых суставах в упоре лежа (замкнувшаяся цепь), можно или отводить плечи, или разгибать их в плечевых суставах. Тогда будут растя­гиваться либо приводящие мышцы плеча (большие грудные, широчайшие спины и др.), либо сгибатели (передние части дельтовидных). Теперь при разгибании рук в локтевых суставах приводящие мышцы или сгибатели плечевых суставов в зависи­мости от того, какие мышцы растянуты, могут передавать свое действие на локтевые суставы — способствовать разгибанию рук в этих суставах.

Передача действия мышц на смежные и отдаленные суставы харак­терна для замкнутых цепей и часто имеет место в подобных условиях работы мышц.

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

Степени свободы движений

Число степеней свободы движений соответствует количеству возможных независимых линейных и угловых перемещений тела.

Тело, ничем не ограниченное в движениях (может двигаться в любом направлении), называется свободным. Движение свободного тела воз­можно в трех основных направлениях — вдоль осей координат, а также вокруг этих трех осей; оно имеет 6 степеней свободы движения (рис. 5, а).

Наложение связей уменьшает количество степеней свободы (табл. 1). Если закрепить одну точку тела, то сразу снимается 3 степени сво­боды: тело не сможет двигаться вдоль трех осей координат; у него останутся только возможности вращения вокруг этих осей, т. е. только три степени свободы (см. рис. 5, б). Так соединены кости трехосных (ша­ровидных) с у с т а в о в.

При закреплении двух точек в теле возможно вращение лишь вокруг линии (оси), проходящей через обе точки (см. рис. 5, в). Так соединены кости одно­осных суставов, обеспечивающих одну степень свободы. Если же закреп­лены три точки (не лежащие на одной линии), то движения тела совсем невоз­можны (см. рис. 5, г). Та кое соединение неподвижно и, следовательно, не яв­ляется суставом.

Как известно, двуосные суставы (эллип­совидный — лучезапястный, седловидный — первый запястно-пястный) обеспечивают вторую степень свободы благодаря неполному взаимно­му соответствию своих суставных поверхностей (неконгруэнтность). По этой же причине, если рука в локтевом суставе согнута, возможны приведение и отведение локтевой кости в плечелоктевом сочленении (например, при поворотах отвертки, штопора, ключа вокруг оси, проходящей вдоль второй пястной кости. в преобладающей части суставов тела человека 2 или 3 степени свободы. При нескольких степенях свободы движений (двух и более) возможно бесчисленное множество траекто­рий. Значит, в движениях в неодноосных суставах отсутствует определенность, задаваемаяспо­собом соединения. Тем более это характерно для цепей с несколькими неодноосными суставами.

Множество возможностей движений в суста­вах кинематической пары более чем с одной степенью свободы в отли­чие от технической пары требует для выполнения каж­дого определенного движения: а) выбор необ­ходимой траектории, б) управления движением по траектории (направлением и величиной скорости) и в) регуляции движения, понимаемой как борьба с помехами, сбивающими с траектории (см. гл. IV).

Геометрия движений

Число основных осей сустава соответствует количеству степеней свободы движений одного звена относительно другого. Плоскость движения перпендикулярна оси вращения и характеризует на­правление перемещения звена. Размах движений — это угловое перемещение звена из одного крайнего положения в другое.

В суставном движении различают ось, плоскость и размах. Все пары звеньев связаны в суставах неразрывно, как в шарнирах, поэтому они могут двигаться в основном только вокруг осей (не считая незначительного скольжения). Однако не существует суставов совер­шенно правильной геометрической формы. А если бы даже такие и были, то при сдавливании гиалиновых суставных хрящей форма су­ставных поверхностей нарушалась бы. Следовательно, геометрические оси вращения не постоянны и правильнее говорить о мгновенных осях вращения. В связи с этим количество осей в суставе означает в биоме­ханическом смысле только количество степеней свободы движения, а не постоянных геометрических осей вращения.

Продольные оси звеньев чаще всего не строго перпендикулярны геометрическим осям вращения. Поэтому различные точки звеньев движутся в плоскостях, параллельных друг другу, а сама продольная ось звена описывает поверхности, близкие к коническим. Таким обра­зом, плоскость движения в суставе характеризует, в какой плоскости движутся точки звена. Она перпендикулярна геометрической оси вра­щения и не обязательно совпадает с плоскостью движения продольной оси самого звена.

Размахом движений измеряется подвижностьв каждом отдельном суставе1. Наибольший размах бывает в пассивных движениях; с уве­личением внешней нагрузки (вес отягощения, силы инерции) растя­гиваются мягкие ткани-ограничители. Размах же в активном движении меньше, чем в пассивном, так как там мышцы имеют предел силы, в то время как величина внешних сил не ограничена. К тому же сила собственных мышц пары звеньев при­ложена невыгодно при крайних положениях звеньев в суставе.

Подвижностью соседних звеньев в соединениях каждой пары обус­ловлена гибкость всей кинематической цепи в целом. Гибкость цепи (например, позвоночника) измеряется общим размахом движения концевого звена относительно другого конца цепи.

Общий размах движения в целомбываетменьше суммы размахов изолированных дви­жений в суставах, так как вследствие пассивной недостаточ­ности многосуставных мышц возникают дополнительные связи.

ЗВЕНЬЯ КАК РЫЧАГИ

Скелет, составленный из подвижно соединенных костей, представ­ляет собой твердую основу биокинематических цепей. Звенья цепей с приложенными к ним силами (мышечной тяги и др.) в биомеханике рассматриваются как система составных рычагов.

3.1. Виды рычагов в теле человека

Рычаг — твердое тело, которое может под действием приложен­ных сил вращаться вокруг опоры (оси) в двух противоположных направлениях, а также сохранять свое положение.

Как простейший механизм, рычаг служит для передачи движения и си­лы на расстояние.

Каждый рычаг имеет точку опоры — ось рычага (О на рис. 6), точки (А, В) приложения двух взаимно противодействующих сил (G и Q). Чтобы опреде­лить расстояние до ме­ста приложения сил от оси рычага, измеряют плечи рычага (О А и 0В). Чтобы определить расстояния до направления дей­ствия сил от оси рычага, измеряют плечи сил {а. и k — перпендикуляры, опущен­ные из точки О на линии дей­ствия сил, т. е. их направле­ния).

Рычаги бывают о д н о п л еч и е (с точкой опоры на конце рычага — см. рис. 6,а)и двуплечие(с точкой опоры между кон­цами рычага — см. рис. 6, б). Принципиальной разницы в отношении работы сил между ними нет: поворачивая плечо двуплечего рычага вокруг точки О из положения do в di, затем da, можно перейти к ры­чагу одноплечему (см. рис.6, б). У нового, одноплечего, рычага иная форма, но те же свойства, что и у прежнего, двуплечего, рычага.

Звенья тела человека имеют в своей основе костные рычаги. Двуплечие рычаги используются, например, при сохранении положения стоя, а одноплечие — в быстрых движениях конечностей. Одно и то же звено для разных мышц может быть то одноплечим, то двуплечим рыча­гом.