Тема 3. Двигательный аппарат человека, соединение звеньев и степени свободы, биомеханика мышц.

1. Строение опорно-двигательного аппарата человека.

2. Биомеханические свойства костей, связок, сухожилий, мышц.

3. Геометрия масс тела человека.

4. Звенья тела как рычаги и маятники.

5. Строение мышц человека. Механические действия мышц. Мышечное сокращение. Изотоническое и изометрическое сокращение.

1. Двигательный аппарат человека – это самодвижущийся механизм, состоящий из 600 мышц, 200 костей, нескольких сотен сухожилий.

Тело человека не могло бы выполнять разнообразные двигательные функции, если бы отсутствовала опорная конструкция – костный скелет, который формирует порядка 200 костей. Кость – живая ткань, состоящая из белкового матрикса, на котором откладываются соли кальция. Функции, выполняемые костями, важны как для движения, так и для поддержания жизнедеятельности организма.

В теле человека почти 200 суставов. Для выполнения двигательных действий наибольшее значение имеют синовиальные, которые обладают наибольшей подвижностью, и хрящевые, слабо подвижные.

Сухожилия соединяют мышцы и кости, связки обеспечивают соединения между костями.

2. Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями: кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Кости черепа, грудной клетки и таза защищают внутренние органы. Опорную функцию выполняют кости конечностей и позвоночника.

Кости ног и рук продолговатые и трубчатые по строению, поэтому могут противодействовать значительным нагрузкам и в 2 – 2,5 раза снижать массу и значительно уменьшать моменты инерции.

Различают четыре вида механического взаимодействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Механические свойства суставов зависят от их строения. Поверхность суставов смачивается синовиальной жидкостью. Эта жидкость уменьшает коэффициент трения в суставе примерно в 20 раз.

Механические свойства сухожилий и связок зависят от их геометрических размеров: чем больше поперечное сечение, тем больше прочность; чем связка длиннее, тем большей способностью к растягиванию она обладает.

3. Геометрией масс называется распределение масс между звеньями тела и внутри звеньев. Геометрия масс количественно описывается масс-инерционными характеристиками. Важнейшие из них – масса, радиус инерции, момент инерции и координаты центра масс.

Центром масс называется точка, где пересекаются линии действия всех сил, приводящих тело к поступательному движению и не вызывающих вращение тела.

4. Двигательный аппарат состоит из звеньев. Звеном называется часть тела, расположенная между двумя соседними суставами или между суставом и дистальным концом.

В человеческом теле около 70 звеньев. Для решения большинства практических задач достаточно 15-ти звенной модели человеческого тела.

Биомеханические звенья представляют собой своеобразные рычаги и маятники. Рычаги бывают первого рода и второго рода. Рычажное устройство двигательного аппарата даёт возможность выполнять дальние броски, сильные удары и т.п.

Руки и ноги человека могут совершать колебательные движения. Это делает наши конечности похожими на маятники. Наименьшие затраты энергии на перемещение конечностей имеют место, когда частота движений на 20-30% больше частоты собственных колебаний руки или ноги.

5. Мышцы разнообразны по форме, размерам, особенностям прикрепления, величине максимально развиваемого усилия. Каждая мышца состоит из большого числа двигательных единиц и каждая единица управляется собственным мотонейроном. Основной функцией мышцы, состоящей из поперечно-полосатых мышечных волокон, является сократимость. В организме человека насчитывается примерно 600 произвольных мышц, различных по форме, строению, развитию и функциям.

По форме различают мышцы плоские, длинные, квадратные, трапециевидные, ромбовидные и др. Большинство длинных мышц имеет брюшко, есть мышцы двубрюшные, двуглавые, трехглавые и четырехглавые.

Сокращение мышц приводит в движение части скелета - рычаги с точками опоры в области суставов. Второй силой, воздействующей на эти рычаги, служит сила тяжести или другое сопротивление. В теле человека принято различать рычаги первого и второго рода.

Если мышцы или мышечные группы оказывают при сокращении противоположное действие (сгибание, разгибание), они носят название антагонистов. Мышцы, выполняющие однотипные движения, получили название синергистов.

Механическое действие мышц. Данное действие проявляется в сокращении. Сокращаясь мышца становится короче и толще, сближая точки прикрепления, развивая при этом силу.

Мышечное сокращение. У человека существует три вида мышц: поперечнополосатые мышцы скелета, поперечнополосатые мышцы сердца и гладкие мышцы внутренних органов, сосудов и кожи. Максимальная сила, которую может развить мышца, при оптимальной длине, составляет 2 х 10⁶ на 1 см² поперечного сечения мышцы.

Изотоническое и изометрическое сокращение. Изотоническим сокращением называется такое сокращение мышцы, при котором ее волокна укорачиваются, но напряжение остается постоянным (поднятие груза). Изометрическим называется такое сокращение, при котором мышца укоротиться не может (оба конца неподвижно закреплены), напряжение возрастает. При совершении работы по перемещению груза мышца обычно сокращается сначала изометрически, затем изотонически. Мышцы-сгибатели (двуглавая мышца плеча) сокращаются изотонически, а четырехглавая мышца бедра в позе стоя напрягается и сокращается в изометрическом режиме.