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 врашаться 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 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.

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:

1) точку опоры;

2) точку приложения сил;

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

4) 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.

2. Биомеханические особенности мышечной системы

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

Мышца как физическое тело обладает рядом механиче­ских свойств (упругость, вязкость, ползучесть, релаксация), а как живой орган также и биологическими свойствами (возбу­димость, сократимость) , играющими важную роль при выпол­нении движений.

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;

3) приложенная нагрузка определяет величину напряже­ния мышцы, таким образом, чтобы получить большое напря­жение, надо приложить большую нагрузку (сопротивление тяге мышцы) - действие равно противодействию;

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

5) при отсутствии нагрузки длина мышцы является наи­меньшей ("свободная длина" мышцы) - нерастянутая мышца не напряжена;

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.

При меньшей вязкости мышцы изменение ее длины от­стает от изменения напряжения как при растягивании мыш­цы, так и при ее сокращении. В этом случае мышца, хотя и не сразу, но все же возвращается к исходному состоянию. При большей вязкости замедление еще больше и мышца дольше не возвращается к прежнему состоянию - обнаруживается остаточная деформация. При этом неизбежна потеря энер­гии. Считают, что вязкость мышц увеличивается при быстрых движениях и при значительном возбуждении, т.е. как раз в условиях соревновательной борьбы спортсмена. Однако разогревание мышц при разминке снижает вязкость, умень­шает торможение при сокращении и растягивании мышц. Следовательно, на соревнованиях и тренировках важно для снижения вязкости сохранять в разогретых мышцах тепло.

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

Это свойство характеризует изменчивость соотношения "длина - напряжение" мышцы, не зависящую непосредствен­но от ее возбуждения, т.е. от управления мышцей как живым органом. Так, например, нагруженная (напряженная) мышца имея соответствующую длину; через некоторое время при тех же нагрузке и напряжении может начать увеличиваться. Ос­таточная деформация, упомянутая выше, тоже может быть рассмотрена как проявление ползучести.

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.

Сократимость мышцы - ее свойство при возбуждении сокращаться, т. е.при той же нагрузке и напряжении изме­нять длину, укорачиваться.

При одном и том же напряжении мышцы и одинаковой нагрузке длина мышцы вследствие возбуждения становится мень­ше - мышца сокращается. Если уменьшить возбуждение или же увеличить нагрузку, мышца растягивается. Следовательно, изменения длины мышцы - ее сокращение и растягивание (уд­линение) - определяются степенью ее возбуждения и величиной нагрузки. Все это говорит о том, что проявление активности (режим работы) мышцы определяется изменением ее длины, либо ее напряжения, либо того и другого одновременно.

Различают следующие режимы работы мышцы:

- изотонический (напряжение одинаково - изменяется длина мышцы);

- изометрический (длина мышцы постоянна - напряже­ние меняется) ;

- ауксотонический (и длина и напряжение изменяется) .

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.

Из анатомических условий проявления тяги мышцы надо назвать строение мышцы и ее расположение (в данный мо­мент движения) . Физиологический поперечник мышцы опре­деляет суммарную тягу всех волокон с учетом их взаимного расположения. От расположения волокон зависит и величи-

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.

Чтобы определить результат тяги мышцы, недостаточно установить величину и направление этой тяги. При различ­ных условиях закрепления звеньев одна и та же тяга приводит к неодинаковому результату — разным движениям звеньев в суставе. Поэтому следует помнить, что результат приложения тяги мышцы в кинематической цепи зависит от: а) закреп­ления звеньев; б) соотношения сил, вызывающих движение, и сил сопротивления, в) начальных условий вращения . При этом в каждом конкретном случае лишь совокупность всех факторов определяет результат работы мышц в целом.

Разновидности работы мышц определяются сочетани­ем изменений их силы тяги и длины. Общеизвестные виды работы мышц (преодолевающая, уступающая и удерживаю­щая) определяются только направлением изменения длины мышцы: укорочением, удлинением, сохранением длины. Для этих трех видов работы (первые два - динамическая, после­дний - статическая) существует возможность по меньшей мере трех вариантов изменения силы тяги мышц по сравнению с изометрическим: его нарастание, уменьшение, сохранение без изменений. Хотя работа мышц и проявляется только через их тягу, разновидности работы различны и результаты тяги в зависимости от конкретных условий очень разнообразны. В результате схематически можно выделить девять типичных разновидностей работы мышц В приведенной таблице названия разновидностей услов­ные, поскольку в практике не сложилось еще определенной терминологии. Кроме того, не все разновидности одинаково часто встречаются.

При сохранении положения тела чаще встречается по­стоянная фиксация (разновидность 5) . В движениях наиболее обычны разгон (3) и торможение (7) . В точных движениях характерно притормаживание (9) . Силовая работа выполня­ется с напряжениями в движениях "до отказа" (1) и усилени­ем фиксации (4) . При выполнении одного и того же действия могут иметь место смены (иногда неоднократные) разновид­ностей работы у одной и той же мышцы.

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.

Как известно, через каждый сустав проходит не одна мыш­ца, а несколько. Движение в суставе есть результат группово­го взаимодействия мышц, проходящих через него. Принято различать два вида взаимодействия мышц - синергизм и ан­тагонизм. Мышцы, которые выполняют общую работу, при­нимая участие в одном и том же движении, т.е. мышцы, рас­положенные по одну сторону данной оси сустава, называются синергистами. Мышцы, принимающие участие в различных движениях, противоположных одно другому, называются ан­тагонистами. Необходимо иметь в виду следующие два обстоя­тельства: во-первых, какого-либо истинного антагонизма в ра­боте мышц нет, так как не только мышцы содружественного (синергического), но и противоположного (антагонистического) действия работают согласованно, совместно обеспечивая выпол­нение данного движения. Особенно велика роль возбуждения антагонистов в регулировке движения. Посредством точной дозировки напряжения антагонистов регулируется скорость движения и развиваемая при этом результирующая сила, про­изводится торможение движения перед его окончанием, дости­гается плавный переход движения из одной фазы в другую. В основе точного регулирования противодействия антагонисти­ческих мышц лежит автоматически действующий врожден­ный рефлекс на растягивание: чем больше размах движения, тем больше растягиваются мышцы-антагонисты, тем сильнее раздражаются их проприорецепторы, тем больше возрастает в них рефлекторное напряжение. Этот спинальный рефлекс тон­ко регулируется высшими отделами центральной нервной сис­темы и дополняется специальными воздействиями центров на мышцы-антагонисты, в соответствии с характером двигатель­ного задания и условиями его выполнения.

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.

15. Кинематические пары и цепи: определение и виды пар цепей