§ 13. Звенья тела как рычаги и маятники

Кости как твердые (негибкие) звенья, соединяясь подвижно, образуют основу биокинематических цепей. Приложенные силы дейст­вуют на звенья как на рычаги или маятники. Во многих случаях звенья сохраняют движение под действием приложенных сил как маятники.

13.1. Рычаги в биокинематических цепях

Костные рычаги — звенья тела, подвижно соединенные в суставах под действием приложенных сил, — могут либо сохранять свое поло­жение, либо изменять его. Они служат для передачи движения и работы на расстояние.

Все силы, приложенные к звену как рычагу, можно объединить в две группы: а) силы или их составляющие, лежащие в плоскости оси рычага (они не могут повлиять на движение вокруг этой оси) и б) силы или их составляющие, лежащие в плоскости, перпендику­лярной к оси рычага (они могут влиять на движение вокруг оси в двух противоположных направлениях). Рассматривая действие сил на рычаг, учитывают только силы, направленные по ходу движения (движущие) и против него (тормозящие).

Когда группы сил приложены по обе стороны от оси (точки опоры) рычага, его называют двуплечим или рычагом первого рода (рис. 11, а), а когда по одну сторону — одноплечим, или рычагом второго рода (рис. 11,6). Для разных мышц, прикрепленных в разных местах костного звена, рычаг может быть разного рода. Так, отно­сительно своих сгибателей предплечье (при работе против веса груза) представляет собой одноплечий рычаг; относительно же мышц-разгибателей (при удержании груза над головой) — двуплечий рычаг.

При преодолевающих движениях сила сокращающихся мышц (их равнодействующая тяга) — движущая сила, при уступающих движениях сила растягиваемых мышц (их равнодействующая тяга) — тормозящая. Силы сопротивления направлены противоположно действию мышц.

Каждый рычаг имеет следующие элементы (рис. 11, в): а) точку опоры (0), б) точки приложения сил, в) плечи рычага (расстояния от точки опоры до точек приложения сил — ) и г) плечи сил (расстояния от точки опоры до линий действия сил — опущенные на них перпен­дикуляры — d). Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относительно точки опоры (произведение силы на ее плечо).

13.2. Условия равновесия и ускорения костных рычагов

Сохранение положения и движения звена как рычага зависит от соотношения противоположно действующих моментов сил.

Когда противоположные относительно оси сустава моменты сил равны, звено либо сохраняет свое положение, либо продолжает движение с прежней скоростью (моменты сил уравновешены). Если же один из моментов сил больше другого, звено получает ускорение в направлении его действия.

Момент движущих сил, преобладая над моментом тормо­зящих сил, придает звену положительное ускорение (в сторону дви­жения). Момент тормозящих сил, если он преобладает, придает звену отрицательное ускорение, вызывает торможение звена. В реальных движениях моменты этих двух групп сил редко бывают, равны, и поэтому движения обычно либо ускоренные (положительное ускоре­ние, разгон звена), либо замедленные (отрицательное ускорение, торможение звена).

Для сохранения положения звена в суставе, естественно, необхо­димо равенство моментов сил.

При всех движениях угол а между направлением равнодействующей группы сил и звеном изменяется (см. рис. 11, г, д). Плечо рычага (l ) — расстояние от точки опоры рычага до места приложения силы — остается неизменным. Но плечо силы (d) изменяется. Изменяется обычно и сама сила мышечной тяги. Следовательно, момент силы тяги мышц не остается постоянным. Все это создает большие трудности для управления движениями, но вместе с тем обусловливает и широкие возможности изменения движения.

Когда сила приложена к рычагу под углом, отличающимся от прямого, ее можно разложить на тангенциальную состав­ляющую (касательную к траектории точек рычага — F_t) (см. рис. 11, г, д) и нормальную (перпендикулярную к направлению движе­ния — Fн ). Тангенциальная составляющая влияет на скорость движения рычага, поэтому ее называют вращающей (или явной). Нор­мальная составляющая (направленная вдоль рычага) с точки зрения механики никакого эффекта на звено прямо не производит. Однако она прижимает суставные поверхности костей друг к другу и зтим укрепляет сустав; отсюда ее название — укрепляющая (или скрытая)

По сути дела, звенья тела действуют в биокинематической цепи чаще всего как составные рычаги, в которых очень сложные усло­вия передачи движения и работы. В простом рычаге работа силы, приложенной в одной его точке, передается на другие точки полностью. Если плечи сил неравны, то прилагаемая сила передается либо с потерей в силе (но с выигрышем в пути, а следовательно и в скорости), либо, наоборот, с выигрышем в силе, но с потерей в скорости. В одноплечих рычагах направление передаваемой силы изменяется, а в двуплечих — не изменяется. Сила тяги мышц обычно приложена на более коротком плече рычага, и поэтому плечо ее силы относительно невелико. Это связано с тем, что в большей части случаев мышцы прикрепляются вблизи суставов. Когда мышца расположена вдоль звена и прикреп­ляется вдалеке от сустава, угол тяги ее очень мал и поэтому плечо силы также очень мало. В, связи с этим силы тяги мышц, действующие на костные рычаги, почти всегда дают выигрыш в скорости (естественно, с проигрышем в силе).

Различают две основные причины проигрыша в силе: прикрепление .мышцы вблизи сустава и тяга мышцы вдоль кости под острым или тупым углом. Можно указать еще и на третью причину некоторых потерь в силе мышц. При больших нагрузках напрягаются все мышцы, окружающие сустав. Мышцы-антагонисты, создавая моменты сил, которые направлены противоположно друг другу, полезной работы не производят, а энергию на напряжение затрачивают. Но в конечном счете в" этом есть определенный смысл, хотя и происходят потери энергии: сустав во время больших нагрузок укрепляется благодаря напряжению мышц, которые его окружают.