Звенья тела как рычаги и маятники
Биомеханические звенья представляют собой своеобразные рычаги и маятники.
Кости как твердые (негибкие) звенья, соединяясь подвижно, образуют основу биокинематических цепей. Приложенные силы действуют на звенья как на рычаги или маятники. Во многих случаях звенья сохраняют движение под действием приложенных сил как маятники.
Рычаги в биокинематических цепях
Костные рычаги — звенья тела, подвижно соединенные в суставах под действием приложенных сил, — могут либо сохранять свое положение, либо изменять его. Они служат для передачи движения и работы на расстояние.
Все силы, приложенные к звену как рычагу, можно объединить в две группы: а) силы или их составляющие, лежащие в плоскости оси рычага (они не могут повлиять на движение вокруг этой оси) и б) силы или их составляющие, лежащие в плоскости, перпендикулярной к оси рычага (они могут влиять на движение вокруг оси в двух противоположных направлениях). Рассматривая действие сил на рычаг, учитывают только силы, направленные по ходу движения (движущие) и против него (тормозящие).
Когда группы сил приложены по обе стороны от оси (точки опоры) рычага, его называют двуплечим или рычагом первого рода , а когда по одну сторону — одноплечим, или рычагом второго рода
Для разных мышц, прикрепленных в разных местах костного звена, рычаг может быть разного рода. Так, относительно своих сгибателей предплечье (при работе против веса груза) представляет собой одноплечий рычаг; относительно же мышц-разгибателей (при удержании груза над головой) — двуплечий рычаг.
При преодолевающих движениях сила сокращающихся мышц (их равнодействующая тяга) — движущая сила, при уступающих движениях сила растягиваемых мышц (их равнодействующая тяга) — тормозящая. Силы сопротивления направлены противоположно действию мышц.
Каждый рычаг имеет следующие элементы (рис. 11, в): а) точку опоры (0), б) точки приложения сил, в) плечи рычага (расстояния от точки опоры до точек приложения сил — /) и г) плечи сил (расстояния от точки опоры до линий действия сил — опущенные на них перпендикуляры — d). Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относительно точки опоры (произведение силы на ее плечо).
Рычаги первого рода, например голова (рис. 9, Б) и таз в основной стойке.
Пример рычага второго рода представлен на рис. 9, А: гравитационная сила (F1) и противодействующая ей сила мышечной тяги (F2) приложены по одну сторону от точки опоры, находящейся в данном случае в локтевом суставе. Подобных рычагов в теле человека большинство.
Рычаг находится в равновесии, если равны моменты противодействующих сил (см. рис. 9,А):
F2 —сила тяги двуглавой мышцы плеча; l2 — короткое плечо рычага, равное расстоянию от места прикрепления сухожилия до оси вращения; α — угол между направлением действия силы и перпендикуляром к продольной оси предплечья.
Рычажное устройство двигательного аппарата дает человеку возможность выполнять дальние броски, сильные удары и т. п. Но ничто на свете даром не дается. Мы выигрываем в скорости и мощности движения ценой увеличения силы мышечного сокращения. Например, для того чтобы, сгибая руку в локтевом суставе, перемещать груз массой 1 кг (т. е. с силой тяжести 10 Н) так, как показано на рис. 9, Л, двуглавая мышца плеча должна развить силу 100—200 Н.
“Обмен” силы на скорость тем более выражен, чем больше соотношение плеч рычага. Проиллюстрируем это важное положение примером из гребли (рис. 10). Все точки весла-тела, движущегося вокруг оси, имеют одну и ту же угловую скорость
Но их линейные скорости неодинаковы. Линейная скорость (v) тем выше, чем больше радиус вращения (г):
Следовательно, для увеличения скорости нужно увеличивать радиус вращения. Но тогда придется во столько же раз увеличить и силу, прикладываемую к веслу. Именно поэтому длинным веслом труднее грести, чем коротким, бросить тяжелый предмет на дальнюю дистанцию труднее, чем на близкую, и т. д. Об этом знал еще Архимед, руководивший обороной Сиракуз от римлян и изобретавший рычажные приспособления для метания камней.
Костные рычаги: а —двуплечий, 6 — одноплечий; вращающая составляющая (FT) и укрепляющая (FH) силы при углах ее приложения: в — в прямом, г — тупом, д — остром-
Условия равновесия и ускорения костных рычагов
Сохранение положения и движения звена как рычага зависит от соотношения противоположно действующих моментов сил.
Когда противоположные относительно оси сустава моменты сил равны, звено либо сохраняет свое положение, либо продолжает движение с прежней скоростью (моменты сил уравновешены). Если же один из моментов сил больше другого, звено получает ускорение в направлении его действия.