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.

1.2. Упругие деформации

Упругие деформации возникают в теле под действием нагрузки и исчезают при ее снятии.

Изменение формы (деформация) тел под действием приложенных к ним сил — свойство всех реальных тел². Абсолютно твердых тел, которые не деформируются ни при каких условиях, в природе не су­ществует.

В случае упругой деформации форма тела после прекращения дейст­вия деформирующей силы восстанавливается (например, стальная пружина) в отличие от пластической деформации, которая остается после снятия нагрузки, т. е. прежняя форма уже не восстанавливается (например, сырая глина). Таким образом, упругость — свой­ство тела самостоятельно восстанавливать после деформации свою форму.

Упругая сила (сила упругого напряжения), противодействуя изме­нению формы, нарастает и, в конце концов, прекращает деформацию как останавливающая сила — в этот момент она становится равной деформирующей нагрузке. Эта же упругая сила при снятии деформи­рующей нагрузки восстанавливает прежнюю форму тела как восста­навливающая сила. Напряжение деформированного тела измеряется в килограммах на квадратный сантиметр его сечения³.

Рассмотрим зависимость между деформацией тела и напряжением (на примере мягкой стали). Можно выделить 4 основных варианта:

зона линейной упругости — напряжение прямо пропорционально деформации (идеальная пружина). После разгрузки деформация пол­ностью исчезает;

зона нелинейной упругости — на равные приращения деформации приходятся все меньшие (как у мягкой стали) или все большие (как у мышцы) приращения напряжения; после разгрузки форма тела пол­ностью восстанавливается;

зона пластической деформации — с увеличением деформации напря­жение нарастает; после разгрузки форма тела восстанавливается не полностью (остаточная деформация);

зона разрушения — тело начинает разрушаться.

В пределах малых деформаций упругих тел напряжение пропор­ционально деформации. Это выражено в законе Гука: =Е (линейная упругость) — «растяжение нагруженного тела пря­мо пропорционально нагрузке». Коэффициент Е (коэф­фициент пропорциональности) называется модулем Юнга (продольной упругости). Он показывает, насколько изменяется напряжение при деформации данного тела, как тело сопротивляется деформации. Тела, для малых деформаций которых необходимы большие нагрузки, вызы­вающие большие напряжения, называются жесткими. Например, для чугуна модуль Юнга равен 900 000 кГ/см³; для кожаного ремня — 2000 кГ/см³; для мышцы — от 10 до 120 кГ/см² и более. Считают, что модуль мышцы может изменяться более чем в 100 раз (приближенные данные).

Мышцы как упругие тела обладают нелинейной упругостью и не­пременной жесткостью.