3. Звенья как рычаги

Скелет, составленный из подвижно соединенных костей, представ­ляет собой твердую основу биокинематических цепей. Звенья цепей с приложенными к ним силами (мышечной тяги и др.) в биомеханике рассматриваются как система составных рычагов.

3.1. Виды рычагов в теле человека

Рычаг — твердое тело, которое может под действием приложен­ных сил вращаться вокруг опоры (оси) в двух противоположных направлениях, а также сохранять свое положение.

Как простейший механизм, рычаг служит для передачи движения и си­лы на расстояние.

Каждый рычаг имеет точку опоры — ось рычага (О на рис. 6), точки (А, В) приложения двух взаимно противодействующих сил (G и Q). Чтобы опреде­лить расстояние до ме­ста приложения сил от оси рычага, измеряют плечи рычага (О А и 0В). Чтобы определить расстояния до направления дей­ствия сил от оси рычага, измеряют плечи сил {а. и k — перпендикуляры, опущен­ные из точки О на линии дей­ствия сил, т. е. их направле­ния).

Рычаги бывают о д н о п л еч и е (с точкой опоры на конце рычага — см. рис. 6,а)и двуплечие (с точкой опоры между кон­цами рычага — см. рис. 6, б). Принципиальной разницы в отношении работы сил между ними нет: поворачивая плечо двуплечего рычага вокруг точки О из положения do в di, затем da, можно перейти к ры­чагу одноплечему (см. рис. 6, б). У нового, одноплечего, рычага иная форма, но те же свойства, что и у прежнего, двуплечего, рычага.

Звенья тела человека имеют в своей основе костные рычаги. Двуплечие рычаги используются, например, при сохранении положения стоя, а одноплечие — в быстрых движениях конечностей. Одно и то же звено для разных мышц может быть то одноплечим, то двуплечим рыча­гом.

3.2. Условия сохранения положения звеньев и их движения как рычагов

Для равновесия рычага необходимо равенство моментов прило­женных сил противоположного действия относительно оси рычага;

для ускорения рычага — неравенство этих моментов сил.

В результате действия противоположных сил звено как рычаг мо­жет: а) сохранять положение или продолжать движение с прежней скоростью и б) получить ускорение в сторону той или иной силы. Эффект совмест­ного действия сил зависит от соотношения их моментов.

Если моменты обеих сил равны, то либо сохраняется неподвижное положение рычага, либо продолжается движение со скоростью, имев­шейся в момент уравнивания обоих моментов.

Когда момент одной из сил больше момента другой силы, возникает ускорение в ту сторону, куда направлена сила большего момента. Если больше момент силы мышечной тяги, мышца сокращается (преодолевающая работ а) и плечо рычага передвигается в ее сторону. Если больше момент силы отягощения, то мышца растяги­вается (уступающая работ а) и плечо рычага передвигается в другую сторону.

Следует заметить, что в рассмотренных случаях рычаг для упроще­ния расчета считается невесомым и безынерционным. В действитель­ности же звенья тела человека обладают весом и при ускорениях ока­зывают инертное противодействие в зависимости от своих моментов инерции.

В описанном выше примере (см. рис. 6, а) рычаг расположен гори­зонтально, поэтому направление веса отягощения перпендикулярно рычагу и плечо силы совпадает с плечом рычага (k). В движениях чело­века это бывает редко; чаще всего силы приложены под острым или тупым углом. Тогда плечо силы меньше плеча рычага и, следовательно, момент силы меньше максимально возможного для данной величины силы.

При тупом или остром угле приложения силы F (см. рис. 6, д, е) плечо силы (d) — катет, а плечо рычага (/) — гипотенуза в прямоу­гольном треугольнике. Следовательно, плечо силы меньше максималь­ного (см. рис. 6, г, где /—d), и момент силы поэтому тоже не наиболь­ший. Это же видно при разложении сил: нормальная составляющая (Fpf), перпендикулярная направлению движения, только прижимает рычаг к точке опоры или оттягивает от нее и непосредственно не влияет на скорость движения. Тангенциальная же составляющая (Рт), ка­сательная к траектории конца рычага, влияет на скорость движения. Поэтому тангенциальная тяга называется вращающей (или явной), а нормальная — укрепляющей (или скрытой).

При движениях изменяются положения костных рычагов и углы приложения сил. Следовательно, изменяются плечи сил. Длина мышц тоже не остается постоянной, а поэтому и их напряжения становятся больше или меньше.

Таким образом, моменты сил, их соотношение, а отсюда и условия сохранения положения или движения частей тела как рычагов не постоянны.