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.

1. 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.

1.1. Виды нагрузок и характер их действия

Силы, приложенные к телу и в совокупности вызывающие его деформации², 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 сил выполняют 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.