6.Степени свободы движений в биомеханике.

Опорно-двигательный аппарат человека представляет собой сложную систему со многими степенями свободы. Любое движение тела человека определяется наличием степени свободы и наличием ограничений. Степень свободы - число возможных независимых перемещений. Из механики известно, что совершенно свободное тело (не точка) в пространстве, имеет 6 степеней свободы, т.е. может двигаться в трех направлениях, при этом вращаясь. Значит, обладает 3 степенями свободы перемещения и 3 степенями свободы вращения .Если тело закреплено в одной точке, то у него теряется 3 три степени свободы: или 3 степени свободы вращения или 3 степени свободы перемещения. При закреплении свободного тела в двух точках тело лишается 5 степеней свободы .Остается возможность вращения тела вокруг оси, проходящей через эти 2 точки, т.е. возможно только вращательное движение. Если тело закреплено в трех точках - степеней свободы нет. В случае биокинематических цепей число степеней свободы может быть значительно больше, чем шесть, т.к. в биокинематических цепях степени свободы суммируются. Например, кисть относительно лопатки имеет 7 степеней свободы: кисть относительно лучезапястного сустава - 2 степени свободы, кисть относительно локтевого сустава - 2, кисть относительно плечевого - 3. Итого 7 степеней свободы. Это значит, что кисть по отношению к лопатке ведет себя как свободное, не закрепленное в пространстве тело. Голова перемещается в сагиттальной и во фронтальной плоскостях и совершает вращательные движения. Таким образом, она имеет 3 степени свободы. Верхняя конечность имеет 7 степеней свободы, т.е. для обеих рук - 14 степеней свободы. Нижняя конечность (без суставов стопы) имеет 6 степеней свободы, т.е. обе ноги имеют вместе имеют 12 степеней свободы. Итого получается: 3+14+12= 29 степеней свободы. Движения в пястнофаланговых и межфаланговых суставах дают для каждой кисти и стопы 19 степеней свободы. Получается сумма 29+(19 4)=105. Таким образом, человеческое тело, не считая движений туловища, имеет 105 степеней свободы.

Если у физического тела нет никаких ограничений (связей), оно может двигаться в пространстве во всех трех измерениях, т.е. г относительно трех взаимно перпендикулярных осей (поступательно), а также вокруг них (вращательно). Следовательно, у такого тела шесть степеней свободы движения.Каждая связь уменьшает число степеней свободы. Зафиксировав одну точку свободного тела, сделав его звеном пары, фазу лишают его трех степеней свободы – возможных линейных перемещений вдоль трех основных осей координат. Примером может служить шаровидный сустав – тазобедренный, в котором три степени свободы из шести (возможно вращение относительно трех осей). Закрепление двух точек звена говорит о наличии оси, проходящей через эти точки. В таком случае остается одна степень свободы. Пример подобного ограничения – одноосный сустав, например межфаланговый. Закрепление третьей точки, не лежащей на этой оси, полностью лишает звено свободы движений. Такое соединение к суставам не относится. В анатомии выделяют также двуосные суставы; они имеют вторую степень свободы вследствие неконгруэнтности (неполного соответствия по форме) суставных поверхностей (суставы лучезапястный и пястнофаланговый 1-го пальца).Почти во всех суставах (кроме межфаланговых, лучелоктевых и атлантоосевого) степеней свободы больше, чем одна. Поэтому устройство пассивного аппарата в них обусловливает неопределенность движений, множество возможностей движений («неполносвязный механизм»). Управляющие воздействия мышц вызывают дополнительные связи и оставляют для движения только одну степень свободы («полносвязный механизм»). Так обеспечивается одна-единственная возможность движений – именно та, которая требуется.