3. Біомеханічні ланцюги.

Руховий апарат людини –це саморушійний механізм, що складається з 600 м'язів, 200 кісток, декількох сотень сухожиль. Ці цифри приблизні, оскільки деякі кістки (наприклад, кістки хребетного стовпа, грудної клітки) зрослись один з одним, а багато м'язів мають кілька голівок (наприклад, двоголовий м'яз плеча, чотириглавий м'яз стегна) або поділяються на безліч пучків (дельтоподібний, великий грудний, прямий м'яз живота, найширший м'яз спини і багато інших). Вважається, що рухову діяльність людини за складністю можна порівняти з людським мозком – самим довершеним створенням природи. І подібно до того як вивчення мозку починають з дослідження його елементів (нейронів), так і в біомеханіці насамперед вивчають властивості елементів рухового апарата.

Руховий апарат складається з ланок. Ланкою називається частина тіла, розташована між двома сусідніми суглобами або між суглобом і дистальним кінцем. Наприклад, ланками тіла є: кисть, передпліччя, плече, голова і т.д.

У людському тілі близько 70 ланок. Для рішення більшості практичних задач досить 15-ланкової моделі людського тіла. Зрозуміло, що в 15-ланковій моделі деякі ланки складаються з декількох елементарних ланок. Тому такі укрупнені ланки вірніше називати сегментами.

Знаючи, які маси і моменти інерції ланок тіла і де розташовано їхні центри мас, можна вирішити багато важливих практичних задач. У тому числі:

визначити кількість руху, рівну добутку маси тіла на його лінійну швидкість (т*υ);

визначити кінетичний момент, рівний добутку моменту інерції тіла на кутову швидкість (Jω); при цьому потрібно враховувати, що величини моменту інерції щодо різних осей неоднакові;

оцінити, легко або важко керувати швидкістю тіла або окремої ланки;

визначити ступінь стійкості тіла і т.д.

3.1. Ланки тіла як важелі і маятники.

Кістки як тверді ланки, сполучаючись рухомо, утворюють основу біокінематичної ланки. Докладені сили діють на ланки як важелі і маятники. Як правило ланки зберігають рух під впливом докладених сил як маятники.

Рухи кісток підпорядковані законам механіки, і їх можна роз­глядати як рухи важелів. У кожному важелі є два плеча. До одного з них прикладається сила маси тіла, до другого – сила м'язової тяги. Тому перше плече дістало назву плеча сили маси тіла, а дру­ге – сили м'язової тяги.

Як і в механіці, в живому організмі ми спостерігаємо важелі першого й другого роду. Важелі першого роду двоплечі, сила маси тіла й сила м'язової тяги спрямовані в один бік (униз). Прикладом важеля першого роду може служити з'єднання голови з хребтом в атлантопотиличному суглобі. Плечі важеля розташовані по обидва боки від суглоба. На переднє плече важеля діє сила ваги лицевої частини голови, а на заднє –сила м'язів шиї, голови, спини, які прикріплюються до потиличної кістки. Голова перебуває у вертикальному положенні (рівновазі) завдяки рівності моментів сили маси тіла й сили м'язової тяги важеля (черепа). Фактично сила потиличних м'язів і зрівноважує масу голови. Тому важіль першого роду ще називають важелем рівноваги, або спокою. Прикладом важеля рівноваги може служити й таз, який балансує на головках стегнових кісток.

Важіль другого роду теж двоплечий, але в ньому сила маси тіла діє вниз, а сила м'язової маси – вгору. Прикладом такого важеля може служити передпліччя. Напруженням двоголового м'яза (сила м'язової тяги), який прикріплюється біля ліктьового суглоба (точки опори), досягається подоланням сили маси передпліччя, й робота виконується з великою швидкістю, тому цей важіль іще називають важелем швидкості. Прикладом важеля другого роду також може служити стопа, коли людина підіймається навшпиньки. В цьому випадку важелем є вся стопа. Точка опори – головки плеснових кісток, точка прикладання сили м'язової тяги – п'ятковий горб, до якого п'ятковим (ахілловим) сухожилком прикріплюється триголовий м'яз гомілки. Він же й підіймає всю масу тіла вгору. В цьому прикладі, як і в попередньому, обидві сили діють у різних напрямках, але, на відміну від важеля швидкості, тут плече сили м'язової тяги буде довшим, ніж плече сили маси. Тому цей важіль прийнято називати важелем сили.

Важільний пристрій рухового апарата дає людині можливість виконувати далекі кидки, сильні удари і т.п. Але ніщо на світі даром не дається. Ми виграємо у швидкості і потужності руху ціною збільшення сили м'язового скорочення. Наприклад, для того щоб, згинаючи руку в ліктьовому суглобі, переміщати вантаж масою 1 кг (тобто із силою ваги 10 Н), двоголовий м'яз плеча повинен розвинути силу 100-200 Н.

«Обмін» сили на швидкість тим більше виражений, чим більше співвідношення пліч важеля. Проілюструємо це важливе положення прикладом з веслування. Усі точки весла-тіла, що рухається навколо осі, мають однакову кутову швидкість ω = ∆φ/∆t. Але їхні лінійні швидкості неоднакові. Лінійна швидкість (v) тим вище, чим більше радіус обертання (r): υ = ω*r. Отже, для збільшення швидкості потрібно збільшувати радіус обертання. Але тоді прийдеться в стільки ж раз збільшити і силу, що прикладається до весла. Саме тому довгим веслом сутужніше гребти, чим коротким, кинути важкий предмет на далеку дистанцію сутужніше, ніж на близьку і т.д. Про це знав ще Архімед, який керував обороною Сіракуз від римлян і винайшов важільні пристосування для метання каменів.

Руки і ноги людини можуть робити коливальні рухи. Це робить наші кінцівки схожими на маятники. Найменші витрати енергії на переміщення кінцівок мають місце, коли частота рухів на 20–30% більше частоти власних коливань руки або ноги.

Ці 20-30% пояснюються тим, що нога не є одноланковим циліндром, а складається з трьох сегментів (стегна, гомілки і стопи). Зверніть увагу: власна частота коливань не залежить від маси хитного тіла, але зменшується при збільшенні довжини маятника.

Роблячи частоту кроків або гребків при ходьбі, бігу, плаванні і т.п. резонансною (тобто близької до власної частоти коливань руки або ноги), удається мінімізувати витрати енергії.

Помічено, що при найбільш економічному сполученні частоти і довжини кроків або гребків людина демонструє істотно підвищену фізичну працездатність. Це корисно враховувати не тільки при тренуванні спортсменів, але і при проведенні фізкультурних занять у школах і групах здоров'я.

Висока економічність рухів, виконуваних з резонансною частотою пояснюється тим, що коливальні рухи верхніх і нижніх кінцівок супроводжуються рекуперацією механічної енергії (від лат. recuperatio –одержання знову або повторне використання). Найпростіша форма рекуперації – перехід потенційної енергії в кінетичну, потім знову в потенційну і т.д. При резонансній частоті рухів такі перетворення здійснюються з мінімальними втратами енергії. Це означає, що метаболічна енергія, яка один раз утворилася в м'язових клітинах і, яка перейшла у форму механічної енергії, може використовуватися багаторазово. Тому потреба в утворенні метаболічної енергії зменшується.

Завдяки рекуперації енергії виконання циклічних рухів з темпом близьким до резонансної частоти коливань кінцівок – ефективний спосіб збереження і нагромадження енергії. Резонансні коливання сприяють концентрації енергії й у світі неживої природи вони іноді небезпечні. Наприклад, відомі випадки руйнування моста, коли по ньому йшов військовий підрозділ, чітко відбиваючи крок. Тому по мосту потрібно йти не в ногу.

Характеристика положень або рухів тіла з позиції законів біомеханіки необхідна для розуміння роботи опорно-рухового апарату. Для цього потрібні знання не лише про роботу важелів як окремих ланцюгів тіла, а й дію на тіло інших зовнішніх сил. Найбільше значення для анатомічної характеристики положень тіла або рухів людини мають сила ваги, сила реакції опори, сила інерції, сила тертя й сила опору середовища.

Сила ваги (або гравітація) дорівнює масі тіла, прикладеній у місці розташування загального центра маси (ЗЦМ) й спрямована вниз.

Сила реакції опори – це сила, яка дорівнює масі тіла, але діє в протилежному напрямку. До тих пір, поки сила ваги й сила реакцій опори зрівноважені, тіло перебуватиме в рівновазі. Якщо сила ваги більша за силу реакції опори, тіло падає, а коли сила реакції опори більша за силу маси тіла, воно відкидатиметься від площі опори (наприклад стрибки на батуті).

Сила реакції опори при ходьбі, стрибках, бігу спрямована до тіла під кутом, внаслідок чого вона розкладається за правилом паралелограма на дві складові: вертикальну й горизонтальну. Вертикальна складова сили реакції опори спрямована вгору і взаємодіє з силою ваги, а горизонтальна (сила тертя) впливає на переміщен­ня тіла; вона або полегшує рух тіла, або, навпаки, гальмує.

Сила опору середовища діє на тіло при русі його в різних сере­довищах (повітряне, водне). Ця сила залежить від площі лобової поверхні опору тіла, швидкості та щільності зовнішнього середовища. При зменшенні лобової поверхні (наприклад, їзда на велосипеді з низькою посадкою) опір середовища зменшується.

До внутрішніх сил відносять силу тяги м'язів, яка буде тим більшою, чим сильніше скорочується, напружується м'яз.

М'язова координація, наприклад скорочення м'язів передньої поверхні плеча, викликає розслаблення м'язів-антагоністів, що лежать на задній поверхні плеча, а також пасивний опір тканин, який здійснюють зв'язки та суглобові сумки, в'язкість м'язів, сила інерції та ін. Тіло людини, як і кожне фізичне тіло, перебуває в стані рівноваги, коли центр маси тіла розташований так, що пер­пендикуляр, опущений від центра маси до опори, падає в межах опори. Коли ж лінія від центра маси тіла виходить за межі опори, тіло або падає, або починає рухатися. Тіло, що падає, утримується напруженням м'язів, якщо ж їхня сила недостатня, тіло падає.