Кинематика и динамика движений человека

Элементы биомеханики

Биологическая механика изучает закономерности движения и деформирования биологических структур под действием факторов окружающей среды и мышечной системы.

Проблемы, решаемые биомеханикой, важны одновременно и для технических, и для медико-биологических наук. Это связано с тем, что в процессе эволюции возникли биологические системы, оптимальные по конструкции в отношении не только выполняемых ими физиологических функций, но и свойств материалов, определяющих их механическое поведение. Поэтому изучение строения и механических свойств различных биологических тканей позволит создать материалы (обычно это композиты1), наиболее пригодные для замещения пораженных естественных структур.

Кинематика и динамика движений человека

Человек и любые другие биологические объекты, являясь частью материального мира, естественно, подчиняются законам механики и физики. Вместе с тем живые объекты отличаются от технических систем и обладают рядом особенностей, которые следует иметь в виду, изучая их механическое поведение. Важнейшей особенностью является способность живых систем адаптироваться к длительным или многократным воздействиям внешних факторов путем функциональной и морфологической перестройки отдельных структур.

С точки зрения биомеханики аппарат движения человека представляет собой управляемую систему подвижно соединенных костей, обладающих определенными размерами, массами, моментами инерции и снабженных мышечными двигателями. Скелет состоит из 206 костей (85 парных и 36 непарных), которые соединены суставами и связками.

Это пассивная часть опорно-двигательного аппарата. Поперечнополосатые скелетные мышцы (их более 600) — это его активная часть, приводящая в движение костные звенья. Управляет этим костно-мышечным аппаратом движения центральная нервная система.

Само движение осуществляется системой костных рычагов, которые приводятся в движение силой тяги, возникающей при сокращении мышц.

Рычагом называется твердое тело, имеющее ось вращения (точку опоры), к которому приложены силы, создающие моменты сил относительно этой оси. Напомним, что момент силы (относительно некоторой оси или точки опоры) равен произведению величины силы и плеча ее действия, а плечо силы — это кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы, лежащей в плоскости вращения.

В качестве примера рычага рассмотрим предплечье (рис. 5.1, а). Здесь сила тяги мышцы F приложена к короткому плечу а рычага (точка опоры О — локтевой сустав), а к его длинному плечу Ъ приложена нагрузка R — сила тяжести удерживаемого груза, приложенная обычно к кисти, а также сила тяжести самого предплечья, приложенная в его центре масс (на рисунке не показана и далее не учитывается). Моменты этих сил равны соответственно Fa и Rb.

Рис. 5.1. Основные виды рычага: а — рычаг скорости; б — рычаг силы

Для равновесия рычага необходимо равенство моментов противодействующих сил, приложенных к нему:

При движении рычага угловая скорость всех его точек

со = — одинакова (и — линейная скорость точки, г — расстоя- г

ние от точки до оси вращения), поэтому для точек приложения груза и мышцы к рычагу можем записать

где цгр — скорость движения груза; им — скорость укорочения мышцы.

Из этих соотношений следует, что F = R-, v = vM —.

а а

При а рычаг проигрывает в силе (F > R), но выигрывает в скорости перемещения груза > vM) и называется поэтому рычагом скорости (например, предплечье, рис. 5.1, а). При а > Ъ рычаг дает выигрыш в силе (F R) и называется рычагом силы, но он проигрывает в скорости перемещения груза (игр м). Примером такого рычага служит свод стопы при подъеме на полупальцы (рис. 5.1,

б). В этом случае опорой О рычага служат головки плюсневых костей; преодолеваемая сила тяжести R тела приложена к таранной кости, а мышечная сила F, осуществляющая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости и поскольку здесь а > Ь, то F

Часто мышечная сила F направлена к рычагу под углом а, отличным от 90° (рис. 5.2). В этом случае условие равновесия рычага принимает вид: Fasina = Rb, откуда F = ——— ,

a sin а

т.е. мышечное усилие F, необходимое для преодоления данной силы сопротивления R, должно быть тем больше, чем под меньшим углом к оси рычага оно направлено.

Рис. 5.2. Вариант рычага скорости при а

Одиночное мышечное волокно при сокращении развивает силу порядка 2 мН. В мышцах человека содержится примерно 3 • 107 волокон. Если бы все они сократились одновременно в одном направлении, то создали бы огромное усилие — до 60 000 Н.

Сила мышцы зависит от количества содержащихся в ней волокон. Поскольку их трудно подсчитать, обычно измеряют поперечное сечение мышцы, которое пропорционально числу волокон, и по нему судят о ее силовых возможностях. При этом нужно определять не геометрическое, а физиологическое поперечное сечение, под которым понимают сумму поперечных сечений всех волокон, образующих данную мышцу.

Отношение максимального мышечного усилия, которое может развить мышца, к ее физиологическому поперечному сечению называется абсолютной мышечной силой и выражается в единицах механического напряжения (Н • м-2 = Па). Для большинства скелетных мышц человека абсолютная мышечная сила имеет порядок 106 Па (100 Н/см2), а для гладких — 105 Па (10 Н/см2). Сила одних и тех же мышц человека зависит от ряда физиологических условий: возраста, пола, тренированности и т.д.

Перемещение тела человека в пространстве совершается благодаря мышечным сокращениям, при которых мышцы укорачиваются и напрягаются. В изотоническом режиме, т.е. при постоянной нагрузке на мышцу, зависимость между скоростью и мышечного сокращения и приложенной силой F описывается уравнением Хилла:

где Fmax — максимальное усилие, развиваемое данной мышцей; а — константа, имеющая размерность силы; Ъ — константа, имеющая размерность скорости.

Из уравнения Хилла (5.3) следует, что при отсутствии нагрузки (F = 0) скорость сокращения мышцы максимальная, с увеличением нагрузки она уменьшается и при максимальной нагрузке (F = FMax) ее укорочение вовсе не происходит (у = 0),

Рис. 5.3. Зависимость скорости v укорочения мышцы от приложенной к ней нагрузки F

что демонстрирует и рис. 5.3.

Коэффициент полезного действия (КПД=А/Е) при сокращении мышцы определяется как отношение совершенной работы А к затраченной энергии Е и может достигать 40 — 60 % у разных типов мышц.

Мышечные усилия и внешние силы, действующие на ткани человека, вызывают деформацию этих тканей и создают в них механические напряжения, которые до определенных значений безопасны для организма, но их превышение может приводить к травмам: растяжению мышц, связок, вывихам, переломам и др.

  • Композиты (композиционные материалы) — материалы, неоднородныепо составу, в которых именно сочетание разных компонент обеспечиваетнужные физико-механические свойства.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *