3. Ланки тіла як важелі та маятники.

Біомеханічні ланки являють собою своєрідні важелі і маятники.

Як відомо, важелі бувають першого роду (коли сили прикладені по різні сторони від точки опори) і другого роду. Приклад важеля другого роду представлений на рис. 1.8, А: гравітаційна сила (F₁) і протидіюча їй сила м'язової тяги (F₂) прикладені по одну сторону від точки опори, що знаходиться в даному випадку в ліктьовому суглобі. Подібних важелів у тілі людини більшість. Але є і важелі першого роду, наприклад голова і таз в основній стійці.

Важіль знаходиться в рівновазі, якщо рівні моменти протидіючих сил :

F₂l_{2cos α}= F₁ l₁,

де F₁ – сила ваги утримуваного вантажу (силою ваги передпліччя зневажаємо); l₁ –- довге плече важеля; F₂ – сила тяги двоголового м'яза плеча; l₂ – коротке плече важеля, рівне відстані від місця прикріплення сухожилля до осі обертання; α – кут між напрямком дії сили і перпендикуляром до подовжньої осі передпліччя.

Важільне влаштування рухового апарату дає людині можливість виконувати далекі кидки, сильні удари тощо. Але ніщо на світі даром не дається. Ми виграємо у швидкості і потужності руху ціною збільшення сили м'язового скорочення. Наприклад, для того щоб, згинаючи руку в ліктьовому суглобі, переміщувати вантаж масою 1 кг (тобто із силою ваги 10 Н) так, як показано на рис. 1.8, А, двоголовий м'яз плеча повинен розвити силу 100-200 Н.

“Обмін” сили на швидкість тим більше виражений, чим більше співвідношення пліч важеля. Проілюструємо це важливе положення прикладом з веслування (рис. 1.9). Усі точки весла-тіла, що рухається навколо осі, мають одну й ту ж кутову швидкість . Але їхні лінійні швидкості неоднакові. Лінійна швидкість (V) тим вище, чим більше радіус обертання (r): V = ω ∙ r·. Отже, для збільшення швидкості потрібно збільшувати радіус обертання. Але тоді прийдеться в стільки ж разів збільшити і силу, що прикладається до весла. Саме тому довгим веслом важче гребти, ніж коротким, кинути важкий предмет на далеку дистанцію важче, ніж на близьку, тощо. Про це знав ще Архімед, що керував обороною Сіракуз від римлян який винайшов підоймові пристосування для метання каменів.

Руки і ноги людини можуть робити коливальні рухи. Це робить наші кінцівки схожими на маятники. Найменші витрати енергії на переміщення кінцівок мають місце, коли частота рухів на 20-30% більше частоти власних коливань руки чи ноги:

де g =9,8 м/с²; l – довжина маятника, рівна відстані від точки підвісу до центра мас руки чи ноги.

Ці 20–30% порозуміваються тим, що нога не є одноланковим циліндром, а складається з трьох сегментів (стегна, гомілки і стопи). Зверніть увагу: власна частота коливань не залежить від маси хитного тіла, але зменшується при збільшенні довжини маятника.

Роблячи частоту кроків чи гребків при ходьбі, бігу, плаванні і т.п. резонансною. (тобто близької до власної частоти коливань чи руки ноги), вдається мінімізувати витрати енергії.

Встановлено, що при найбільш економічному сполученні частоти і довжини кроків чи гребків людина демонструє істотно підвищену фізичну працездатність. Це корисно враховувати не тільки при тренуванні спортсменів, але і при проведенні фізкультурних занять в школах і групах здоров'я.

Допитливий студент може запитати: чим порозумівається висока економічність рухів, виконуваних з резонансною частотою? Це відбувається тому, що коливальні рухи верхніх і нижніх кінцівок супроводжуються рекуперацією механічної енергії (від лат. Rесuреrаtіо – отримання знову чи повторне використання). Найпростіша форма рекуперації – перехід потенційної енергії в кінетичну, потім знову в потенційну і т.д. (рис. 1.10).

При резонансній частоті рухів такі перетворення здійснюються з мінімальними втратами енергії. Це означає, що метаболічна енергія, один раз створена в м'язових волокнах і, що перейшла у форму механічної енергії, використовується багаторазово – і в цьому циклі рухів, і в наступних. А якщо так, то потреба в припливі метаболічної енергії зменшується.

Завдяки рекуперації енергії виконання циклічних рухів з темпом, близьким до резонансної частоти коливань кінцівок, – ефективний спосіб збереження і накопичення енергії. Резонансні коливання сприяють концентрації енергії, і у світі неживої природи вони іноді небезпечні. Наприклад, відомі випадки руйнування моста, коли по ньому йшов військовий підрозділ, чітко відбиваючи крок. Тому по мосту покладено йти не в ногу.