3. Звенья тела как рычаги и маятники

Кости, соединенные подвижно в суставах, представляют собой, с точки зрения механики, рычаги. Сустав представляет собой точку опоры рычага. Если силы приложены по обе стороны от точки опоры рычага, то рычаг называется двухплечным или рычагом I рода, если по одну сторону, то II рода.

Рычаг имеет следующие элементы:

- точку опоры О;

- точку приложения сил;

- плечи рычага; - плечи сил.

Мерой действия сил на рычаг является момент относительно точки опоры, т.е. произведение величины силы на ее плечо:

M(F) = F * d

Плечо сил измеряется длинной перпендикуляра, опущенного из точки опоры рычага на линию действия сил. Для равновесия рычага необходимо чтобы противоположно направленные моменты сил относительно оси рычага были равны. Если момент движущихся сил преобладает над моментом тормозящих сил, то звено приобретает положительное ускорение. В противном случае приобретается отрицательное ускорение и звено тормозится. Если мышцы сокращаются, то это движение преодолевающее. Если мышцы выполняют отрицательную работу и тормозят движение, то мышцы растягиваются и движение называется уступающим.

Если сила приложена под острым или тупым углом к рычагу, ее можно разложить на тангенциальную (касательную) F1 и нормальную Fn составляющие. Тангенциальная вращает рычаг и ее называют вращательной, а нормальная прижимает кости друг к другу и ее называют укрепляющей. Мышцы прикреплены вблизи сустава. В связи с этим, мышцы, действующие на костные рычаги, дают выигрыш в скорости и проигрыш в силе (т.к. плечо мало).

Звено, движущееся по инерции, имеет сходство с физическим маятником с периодом качаний

где J - момент инерции маятника относительно оси, проходящей через точку подвеса; m - масса; r - расстояние между точкой подвеса и центром масс; g - ускорение свободно падающего тела. Ускорение звена Е как маятника зависит от приложенного момента силы:

и момента инерции маятника

где Rнн - радиус инерции.

Биомеханическую систему человека в целом можно представить как систему соединенных между собой рычагов, которые являются еще и маятниками (прямыми или обратно перевернутыми) поэтому в каждом движении (шаге) моменты мышечных сил необходимо приспосабливать к переменным механическим условиям, чтобы обеспечить относительное постоянство движения тела.