Скелет как система биомеханических звеньев

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/см 3 ; для кожаного ремня — 2000 кГ/см 3 ; для мышцы — от 10 до 120 кГ/см 2 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).

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.

Источник

Соединение звеньев тела человека и степени свободы

Пассивная часть двигательного аппарата человека включает в себя кости, суставы и связки, образующие скелет человека. В биомеханике его принято рассматривать как многозвенную систему, состоящую из подвижно соединенных твердых звеньев. Известно, что скелет человека состоит из более 200 костей. Для удобства его описания используют такие понятия, как кинематическая пара, кинематическая цепь и степени свободы.

(сгибание-разгибание, отведение-приведение и пронация-супинация). Чтобы определить число степеней свободы в кинематической цепи, нужно сложить степени свободы всех суставов этой цепи. В теле человека насчитывается 244 степени свободы, что свидетельствует о его колоссальной подвижности, а значит и необходимости управления движениями такой сложной системы.

Биомеханика мышц

Скелетные мышцы являются основными движителями нашего тела. Их количество превышает 600. С биомеханической точки зрения основными показателями их деятельности в организме человека являются сила тяги и скорость изменения длины. Следует подчеркнуть, что мышца может только тянуть, толкать она не может. Именно поэтому для управления движениями в суставах относительно той или иной степени свободы необходимы как минимум две мышцы-антагонисты. Реально их значительно больше, что создает значительные трудности в понимании того, как мозг распределяет степень участия мышц в суставных движениях. Это одна из нерешенных пока проблем организации движений человека, которая в биомеханике получила название проблема избыточности в управлении мышечной активностью.

Эксперименты на изолированных мышцах животных и человека показали, что сила тяги мышцы складывается из двух составляющих. Одна из них, назовем ее активной составляющей, обусловлена сократительными возможностями мышечной ткани. Другая составляющая силы возникает при растягивании мышцы и обусловлена наличием в ней соединительной ткани, которая ведет себя подобно пружине и способна накапливать энергию упругой деформации при растягивании мышцы. Назовем ее пассивной составляющей силы тяги мышцы. Следует подчеркнуть, что активная сила тяги сопровождается затратами химической энергии, запасенной в мышцах, и, как следствие, приводит к утомлению. Пассивная составляющая силы тяги имеет сугубо механическую природу и не требует затрат химической энергии.

Рассмотрим основные зависимости, раскрывающие сущность механики мышечного сокращения.

На рис. 6 показаны зависимости силы тяги изолированной мышцы от ее длины. Видно, что с увеличением длины мышцы суммарная сила тяги (а) увеличивается, но при этом активная (с) и пассивная (Ь) составляющие силы изменяются по-разному. Сила упругой деформации (Ь) нелинейно возрастает с увеличением длины мышцы. Активная сила (с) сначала увеличивается, а затем уменьшается, т. е. максимум силы тяги наблюдается при некоторой оптимальной длине мышцы, которая получила название длина покоя. Отметим, что в зависимости от количества соединительной ткани в мышце характер кривых «сила- длина» и доля вклада активной и пассивной силы в общую силу тяги мышцы изменяются (рис. 6-1, II, и III).

Источник

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ДВИЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА

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.

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, 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.

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 врашаться вокруг трех основных взаимно перпенди­кулярных осей, а также двигаться вдоль каждой из этих осей.

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 закрепленных 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.

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.

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

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.

Вне зависимости от вида рычага в каждом из них выделяют:

2) точку приложения сил;

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

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)

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.

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.

Основная функция мышц состоит в преобразовании хи­мической энергии в механическую работу или силу.

Упругость мышцы проявляется в напряжении, когда мышца растягивается под действием нагрузки.

По мере увеличения нагрузки мышца удлиняется и при этом растет ее напряжение. Отсюда следует:

1) нагрузка растягивает мышцу, удлиняя ее, т.е. для рас­тягивания мышцы необходимо приложить силу;

2) по мере удлинения мышцы ее напряжение увеличива­ется; следовательно, чтобы вызвать напряжение мышцы (без дополнительного возбуждения), необходимо ее растянуть;

4) упругость мышцы нелинейна; следовательно, по мере значительного растягивания одинаковые приращения длины мышцы дают все большие приращения напряжения;

6) в условиях организма длина мышцы больше «свобод­ной длины» и мышца несколько напряжена, т.е. всегда обла­дает «тонусом» покоя.

Таковы особенности упругих свойств невозбужденной мышцы.

Вязкость мышцы проявляется в запаздывании дефор­мации мышцы при изменении нагрузки.

Ползучесть мышцы проявляется в удлинении мышцы со временем, несмотря на то, что напряжение ее не изменяется.

Релаксация мышцы проявляется в уменьшении ее на­пряжения, несмотря на то, что длина ее не изменяется.

Релаксация заключается в том, что растянутая мышца, сохраняя длину, постепенно с течением времени уменьшает свое напряжение, расслабляется. Проявления ползучести и релаксации мышцы рассматриваются вне прямой зависимос­ти от ее возбуждения. Для живого организма такой подход чисто условен. Смысл его заключается в том, что даже с пози­ций механики не следует понимать связь напряжения и дли­ны мышцы как постоянные соотношения.

Совокупность механических свойств (упруговязких, пол­зучести и релаксации) во всевозможных сочетаниях в раз­личных условиях, в сущности, и есть то, что называется элас­тичностью мышцы.

Высокоэластичной мышце свойственны значительная растяжимость, большая жесткость при большом растягива­нии (нелинейная упругость) и малые потери энергии (неболь­шая вязкость) при деформациях. И хотя механизм, обеспечи­вающий названные свойства, еще не полностью объяснен, их проявления очень важно учитывать при изучении способов повышения эффективности действия мышц в движениях.

К биологическим свойствам мышц относят их возбуди­мость и сократимость.

Возбудимость мышцы — ее свойство переходить в со­стояние возбуждения, которое проявляется в изменении ее напряжения, упругости, вязкости и др.

Различают следующие режимы работы мышцы:

В чистом виде в движениях человека изотонический ре­жим работы мышцы не наблюдается, так как всегда имеется сопротивление, изменяющее напряжение. Изометрический режим характерен не для движений, а для статических поло­жений. А в реальных движениях обычно наблюдается ауксо­тонический режим, когда сокращение и растяжение мышцы сочетаются с увеличением и уменьшением ее напряжения.

Механическое действие мышц проявляется как тяга, приложенная к месту их прикрепления. Величина силы тяги мышцы и ее проявление в движениях человека обусловлены рядом причин и зависят от совокупности механических, ана­томических и физиологических условий.

Основным механическим условием, определяющим тягу мышцы, служит нагрузка. Без нагрузки для мышцы не мо­жет быть ее напряжения, не может быть ее силы тяги. На­грузка может быть представлена весом отягощения, а также его силой инерции и другими силами.

на их упругой деформации при растягивании всей мышцы, а значит, и величина возникающих упругих сил.

Расположение мышцы относительно оси сустава и звена в данный момент движения влияет, во-первых, на величину плеча силы, а стало быть, и величину момента силы тяги. При острых (менее 45°) и тупых (более 135°) углах вращающая тяга меньше укрепляющей. Во-вторых, расположение мыш­цы влияет на направление тяги мышцы.

Физиологические условия, определяющие величину тяги мышцы, в основном сводятся к условиям возбуждения мыш­цы и его изменения, в частности при утомлении. Как известно, от количества возбужденных мионов в основном зависит сила тяги мышцы. Максимальное возбуждение наибольшего коли­чества мионов обеспечивает наибольшую силу тяги мышцы. В связи с утомлением существенно изменяется работоспособ­ность мышцы. Это следует учитывать при биомеханическом исследовании спортивной техники.

Мышцы, влияющие на движения биокинематических це­пей, как правило, функционируют не изолированно, а группа­ми. Взаимодействие осуществляется между мышцами внут­ри групп, а также между группами мышц. В результате рабо­чие тяги мьлпц (динамическая работа) обусловливают выполнение движений, а опорные тяги мышц (статическая работа) создают необходимые для этого условия.

Во-вторых, необходимо помнить, что синергетические и антагонистические отношения между мышцами не являются постоянными. Функциональная анатомия дает многочислен­ные примеры того, что многие мышцы изменяют свою функ­цию с изменением исходного положения и при движении по переходящим осям многоосных суставов. Мышцы, являю­щиеся для данного движения синергистами, для другого дви­жения могут становиться антагонистами. Изменение харак­тера взаимодействия между мышцами является важным фак­тором использования сустава со многими степенями свободы, как полносвязного механизма, работающего в направлении той или иной, но определенной степени свободы.

Перестройка использования мышц достигается благода­ря координирующей работе нервных центров. Распределение усилий в группе мышц данного сустава по ходу движения изменяется. Следует добавить, что практически невозможна совершенно точная дозировка величины тяги каждой мыш­цы, быстроты нарастания тяги, времени «включения» и «вык­лючения» мышцы. Поэтому всегда в той или иной степени возникают рассогласования тяг мышц, что является одной из главных внутренних помех в управлении движениями. На­учиться преодолевать рассогласования тяг мышц очень не­просто. Это одна из главных задач при овладении движения­ми, путь к наибольшей экономичности и точности движений.

1. Какова схема устройства двигательного аппарата че­ловека?

2. Что такое кинематическая пара и кинематическая цепь?

3. Каковы степени свободы в кинематических цепях тела человека?

4. Дайте понятие о звеньях тела как рычагах.

5. Как проявляется «золотое правило» механики в теле человека?

6. Каковы механические и биохимические свойства мышц?

7. Что влияет на силу мышц?

8. Какие существуют виды работ мышц?

9. Как проявляется групповое действие мышц?

Источник