bocharov_2010

Во-первых, большинство мышц скелета создают усилия поперек суставов и могут вызывать поворот сегментов тела, что позволяет рассматривать многие функции тела человека с позиций теории неодушевленных машин.

Во-вторых, тело человека можно рассматривать как последовательность жестких сегментов тела; деформации мягких тканей и движение жидкостей внутри тела имеют пренебрежимо малое влияние на движение.

В-третьих, направление вектора мышечной силы является прямой линией между проксимальным и дистальным прикреплениями, причем сила считается приложенной в точках прикрепления. Фактически мышца прикрепляется не в точке, прикрепление распределено по площадке конечных размеров. Однако если размеры площади пренебрежимо малы по сравнению с другими размерами системы, то усилие можно рассматривать приложенным в точке. Если площадь прикрепления мышцы значительна (например, у трапециевидной, большой грудной мышцы), то мышечное усилие может быть представлено несколькими линиями действия.

Четвертое допущение состоит в том, что движение в гравитационном поле вызывается несбалансированностью приложенных к системе сил (закон инерции). Механический анализ действия нескольких мышц, пересекающих сустав, в большинстве случаев позволяет нам определять скорее результирующее мышечное усилие, чем силу, оказываемую отдельными мышцами.

Величина мышечной силы. И величина, и направление вектора мышечной силы трудно поддаются измерению. Чтобы измерить мышечную силу, мы должны измерить силу, переданную сухожилием. В экспериментах на изолированной мышце это измерение включает в себя присоединение сухожилия к преобразователю усилия. В экспериментах на человеке, когда сухожилие не отделено от кости, мышечное усилие может быть измерено путем помещения тензометра на сухожилие. Так, P. V. Komi и др. использовали тензометр для измерения усилия в ахилловом сухожилии во время езды на велосипеде. Максимальные усилия порядка 700 Н они получили в правом ахилловом сухожилии во время педалирования со скоростью 90 1 ; образуемая при этом мощность составляла 265 Вт.

Большинство людей, однако, не изъявляет желания добровольно участвовать в такой процедуре, поэтому для оценки мышечной силы приходиться использовать косвенные измерения. Одним из широко распространенных подходов для оценки мышечной силы является измерение площади поперечного сечения мышцы в плоскости, перпендикулярной направлению мышечных

41

волокон. Измерения могут быть выполнены на трупах или с помощью различных процедур получения изображения (ультразвук, компьютерная томография, магнитный резонанс).

Способность мышцы генерировать силу связана с площадью поперечного сечения мышцы константой порядка 30 Н см 2 . Эта константа называется удельным натяжением, её численное значение установлено и составляет при

характеризует способность мышцы генерировать усилие и не зависит от её размера. Соотношение для оценки мышечного усилия (Fm) определяется

5,8 см2 может создать максимальное усиление 174 Н. Максимальное усиление, которое может быть создано мышцами-сгибателями локтя, действующими совместно, будет составлять 456 Н. По некоторым данным, при поперечном сечении 34,7 см2 сгибателей локтя их максимальное усилие может равняться

натяжение, могут быть тип волокна, пол и строение мышцы. Некоторые данные позволяют предположить, что способность мышцы генерировать усилие зависит от количества быстро сокращающихся волокон, но было обнаружено, что удельное натяжение быстросокращающихся волокон (25,4 Н см 2 ) ненамного отличается от соответствующего показателя медленносокращающихся волокон

разных типов волокон основываются главным образом на косвенных оценках при исследованиях на моторных блоках.

Одним из важных различий между измерениями на мышечном волокне и моторных блоках является то, что усилие, создаваемое изолированным мышечным волокном, может быть измерено непосредственно, тогда как усилие, создаваемое моторным блоком, измеряется на сухожилии, на которое влияют все виды соединительной ткани между стыком и сухожилием.

Таким образом, удельное натяжение постоянно для различных типов мышечных волокон, но передача усилия от мест стыка к сухожилию различна для разных типов моторных блоков.

Антигравитационные мышцы – те, которые участвуют в поддержании вертикального положения (например, выпрямители колена) – примерно в два раза

42

сильнее противодействующих им мышц, но это скорее всего вызвано различиями в размерах, чем в удельном натяжении. Подобным образом тот факт, что мужчины обычно сильнее женщин (если сила определяется как способность генерировать усилие при изометрическом сокращении), обусловлен различиями в мышечной массе. Причина этих различий гормональная: тестостерон (мужской гормон) эффективнее, чем эстроген (женский гормон), стимулирует синтез протеина, что ведет к росту мышц.

Некоторые наблюдения показывают, что величина мышечной силы не зависит от типа мышечных волокон или пола, а изменяется прямо пропорционально площади поперечного сечения при относительно постоянном удельном натяжении. Фактором, который может повлиять на это соотношение, является строение мышцы.

Если мы рассмотрим мышцу как простую структуру, в которой волокна расположены параллельно друг другу и продолжаются от одного конца мышцы к другому (например, бицепс), то абсолютные усилия в каждой точке вдоль длины мышцы в основном идентичны. Соответственно усилие, создаваемое на одном конце мышцы, такое же, как посередине мышцы и на другом её конце. Поскольку мышцы имеют скорее веретенообразную, чем цилиндрическую форму, поперечное сечение изменяется вдоль длины мышцы. Если мышечное усилие постоянно вдоль всей ее длины, а площадь поперечного сечения изменяется, то удельное натяжение также должно изменяться; это означает, что удельное натяжение должно изменяться обратно пропорционально площади поперечного сечения. Хотя еще во многом остается неясным, как передается усилие из мест присоединения на сухожилия, все же можно предположить, что архитектура мышцы влияет на мышечную силу.

Кроме площади поперечного сечения для оценки величины мышечной силы могут быть использованы электромиограмма (ЭМГ) и внутримышечное давление. ЭМГ позволяет измерять в мышцах электрическую активность, которая является прямой реакцией на активирующие сигналы нервной системы. При изометрических условиях величина ЭМГ в большой мере коррелирует с мышечной силой. Хотя это соотношение менее выражено для неизометрических условий, существуют алгоритмы, с помощью которых можно определить величину мышечной силы на основе ЭМГ.

Измерение внутримышечного давления с помощью катетера дает более достоверные значения мышечной силы, чем ЭМГ. Недостатком измерения внутримышечного давления является то, что это требует введения

43

преобразователя давления в мышцу. Как и ЭМГ, внутримышечное давление возрастает линейно вместе с вращающим моментом мышцы, но наклон соответствующих графиков различен для разных мышц.

Направление мышечной силы. Если включить мышечную силу в диаграмму свободного тела, то вначале нужно определить, какая группа мышц (например, сгибатели или разгибатели) создает усилие, а затем начертить вектор силы в направлении, противоположном силе реакции сустава. Рассмотрим диаграмму свободного тела, которая показывает усилие ахиллового сухожилия во время езды на велосипеде (Gregor et al., 1987).

Система (рис. 2.14) состоит из ноги (от голеностопного сустава до пальцев стопы) и взаимодействует с окружающей средой с помощью следующих сил: Fg – сила реакции земли – фактическая сила; P – вес (масса тала); Fj – сила реакции сустава; Fm – мышечная сила. Обратите внимание, что Fm направлена против силы реакции голеностопного сустава, примерно так же, как и ахиллово сухожилие.

Хотя, как правило, угол натяжения мышц обычно невелик, он изменяется и в ходе ряда движений может достигать значительных величин.

Fj

Голеностопный

сустав

Fm

Рис. 2.14. Распределение сил, приложенных к стопе во время езды на велосипеде

44

Глава 3. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ДВИГАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ

3.1. Кинематические системы

Большинство костей в скелете человека соединяются через суставы. Две кости, соединенные суставом, образуют кинематическую пару. Таким образом создается возможность их движения относительно друг друга. В механике известно множество кинематических пар. В скелете человека больше всего вращательных пар, винтовые пары имеются только в голеностопных суставах, поступательных пар вовсе нет.

Несколько кинематических пар, соединенных последовательно, образуют сложную кинематическую цепь. Например, рука содержит множество кинематических пар, образованных суставами.

Кинематическая цепь может быть открытой и закрытой (замкнутой). Понимание того, с какой кинематической цепью мы имеем дело, очень важно при изучении движения.

Воткрытых кинематических цепях последнее (концевое) звено цепи свободно, оно соединено только с одним соседним звеном. В каждом сочленении открытой цепи, когда любое из них закреплено, возможны движения, независимые от других сочленений. Так, например, рука может свободно двигаться в пространстве в плечевом, локтевом и других суставах, а также во всех вместе.

Кинематическая цепь называется замкнутой, если она замыкается «сама на себя» и у нее нет свободного последнего звена. В замкнутых кинематических цепях движения одних звеньев, как правило, вызывают движения некоторого количества других звеньев. Так, например, при сгибании колена левой ноги в выпаде изменяются углы обоих тазобедренных, коленных и голеностопных суставов.

Открытая цепь, расчлененная в любом месте, распадается на две части, а замкнутая цепь при расчленении в одном месте превращается в открытую цепь.

Вчеловеческом теле свободные конечности, если они не имеют периферической опоры, – это пример открытых цепей. Соединения ребер с позвоночником и грудиной – это типичная замкнутая кинематическая цепь. Однако открытые цепи могут превращаться в замкнутые, если, например, две конечности получат связь через общую опору.

Степени свободы кинематических цепей. Каждая кинематическая пара имеет одну или несколько возможностей движения. Если часть тела в суставе

45

может двигаться только по одному пути, то у нее одна степень свободы движения (например, одноосные суставы – межфаланговые).

Совершенно свободное тело, которое может перемещаться куда угодно, имеет шесть степеней свободы. Оно может вращаться вокруг трех основных взаимно перпендикулярных осей, а также двигаться без всяких ограничений вдоль каждой из этих осей (рис. 3.1, А).

А– свободное тело; Б – закреплена одна точка; В – закреплены две точки;

Г– закреплены три точки

Если закрепить свободное тело в одной точке (рис. 3.1, Б), то у него остается только три степени свободы: оно может вращаться вокруг этой точки в трех основных направлениях (плоскостях), но не может отдаляться от точки закрепления. Закрепляя еще одну точку (рис. 3.1, В), мы имеем некоторую ось, только вокруг которой тело и может вращаться. В этом случае сохраняется лишь одна степень свободы движения. Если же закрепить тело в трех точках (рис. 3.1, Г), не лежащих на одной прямой с остальными двумя точками, то оно потеряет последнюю степень свободы, будет закреплено неподвижно.

Возможности движения отдельных точек тела при закреплении тела несколько иные. При одной закрепленной точке тела любая другая точка этого тела имеет только две степени свободы, т. е. может двигаться только в двух направлениях по шаровой поверхности. При двух закрепленных точках тела у любой его точки имеется лишь одна степень свободы, т. е. возможна лишь одна

46

траектория движения. Разумеется, что при фиксации трех точек тела нет ни одной степени свободы. У совершенно свободного тела любая точка имеет всего три степени свободы, т. е. может двигаться в любом из трех направлений трехмерного пространства.

Втеле человека закрепление части тела в одной точке имеет место в шаровидных суставах. Например, плечо в плечевом суставе не может оторваться от лопатки, но может вращаться вокруг трех основных осей, т. е имеет три степени свободы движения.

Закрепление части тела в двух точках (на одной оси) имеет место в одноосных суставах (локтевая кость в плечелоктевом сочленении имеет только одну степень свободы).

Воткрытых кинематических цепях степени свободы суммируются. Так, у бедра относительно таза три степени свободы; у голени относительно бедра – две степени. Значит у голени относительно таза уже пять степеней свободы. У конечных звеньев открытой цепи наибольшее число степеней свободы. Например, кисть имеет относительно лопатки семь степеней свободы (плечевой сустав – 3, плюс локтевой – 2, плюс лучезапястный – 2).

Закрепление одного звена в открытых кинематических цепях не уменьшает количество степеней свободы в каждом из остальных сочленений. Однако пределы перемещения каждого звена в пространстве этим закреплением уменьшаются.

Взамкнутых кинематических цепях не может быть изолированного движения в одном единственном сочленении. Движение в одном сочленении вызывает движение некоторого количества других звеньев.

Если в одном месте соединяется не два, а три и более звеньев (сложные суставы), то образуется кинематическая система. Условия подвижности в ней более сложные, чем в цепи.

Кости как рычаги. Кости, соединенные подвижно в суставах, с точки зрения механики – рычаги. Сустав представляет собой точку опоры рычага. На рычаг действует две группы сил, которые стремяться повернуть его в противоположном направлении. Каждую из этих групп сил можно свести к одной равнодействующей: например, одна из них представляет силу тяги мышц, а другая

– силу сопротивления ей, вроде силы тяжести.

Если действие силы мышц и силы сопротивления равны друг другу, то часть тела, как рычаг, останется в равновесии. Такое равновесие частей тела, как системы рычагов, бывает при неподвижных положениях тела. Следовательно, для

47

равновесия кости как рычага необходимо, чтобы момент силы мышцы был равен моменту силы сопротивления.

Для начала движения части тела необходимо, чтобы один из моментов силы был больше другого. Если момент одной из сил больше, то в сторону её действия

идвинется рычаг. В двигательном аппарате человека встречаются рычаги первого

ивторого рода.

Рычаги первого рода – когда группы сил действуют в одном направлении. Например, на череп (рис. 3.2, А) действует сила тяжести (Р) и затылочные мышцы (М); точка опоры – атлантозатылочное сочленение – расположено между точками приложения сил. На таз (рис. 3.2, В) действуют группы мышц – разгибателей (М) и сгибателей (Мi) тазобедренного сустава. При таких и подобных статических положениях тела возникает равенство сил, что и обеспечивает равновесие.

М = Р

М = Мi

Рис. 3.2. Рычаги первого рода

Кости конечностей чаще представляют собою рычаги второго рода. Силы, приложенные к ним, направлены в разные стороны, а сустав (точка опоры) расположен по одну сторону от точек приложения сил. Например, при удержании на весу предплечья с грузом (рис. 3.3, А) или голени вытянутой ноги (рис. 3.3, В) силы мышц направлены вверх, силы тяжести – вниз, а точки опоры (локтевой и коленный суставы) расположены по одну сторону от противодействующих сил.

48

Когда плечи рычага равны, а это может быть только в рычагах первого рода, сила тяги мышцы может передаваться рычагом без потери, поскольку здесь равноплечные рычаги и обе силы параллельны. Если же рычаг первого рода имеет разные плечи, то будет либо выигрыш, либо проигрыш в силе. В случае действия силы мышцы на коротком плече (в рычагах I и II рода) будет проигрыш в силе, но зато выигрыш в скорости движения рычага. В двигательном аппарате человека все рычаги второго рода дают большой проигрыш в силе тяги мышц и за счет него выигрыш в скорости. Даже если мышца приложена на более длинном плече рычага (например, плечелучевая мышца), то её угол приложения настолько мал, что и плечо силы мало, поэтому здесь потери силы очень велики.

Таким образом, двигательный аппарат человека приспособлен к очень разнообразным движениям с большим размахом и выигрышем в скорости за счет приложения большой силы мышц.

3.2. Условия проявления силы мышц

Действие мышцы проявляется в виде силы тяги, которая стремится сблизить концы мышцы. Только лишь в некоторых случаях мышца, имеющая в исходном состоянии изогнутую форму (например, поперечная мышца живота и диафрагма),

50