Движения в биокинематических цепях

В биокинематических цепях тела человека движение может передаваться от звена к звену. Скорость, например, кисти при броске мяча может быть результатом движений ног и туловища, а также движений в суставах руки. Движение кисти в этом случае как бы составляется из движений других звеньев тела. Движение, обусловленное движениями ряда звеньев, в биомеханике называют составным

Составное движение образуется из нескольких составляющих движений звеньев в сочленениях биокинематической цепи.

В простейших случаях в механике складываются два поступательных движения двух тел.

Когда в составном движений принимают участие два тела, то обычно составляющие движения называют переносными и относительными. Платформа как бы переносит на себе движение по ней груза; движение платформы переносное. Движение же груза по платформе относительно системы отсчета, связанной с самой платформой, относительное. Тогда движение груза в неподвижной системе отсчета (Земля) результирующее: это результат двух составляющих движений.

В теле человека таких движений не бывает, так как почти во всех суставах звенья движутся вокруг осей сочленений.

В биокинематических цепях обычно движется много звеньев; одни «несут» на себе движения других (несущие и несомые движения). Несущее движение (например, мах бедром при выносе ноги в беге) изменяет несомое (сгибание голени).

При движениях в незамкнутой кинематической цепи угловые перемещения, скорости и ускорения, если они направлены в одну сторону, складываются. Разнонаправленные движения не складываются, а вычитаются (суммируются алгебраически).

Сложнее составные движения, в которых составляющие движения вращательные (по дуге окружности) и поступательные (вдоль радиуса)

В составном движении, образованном из вращательных составляющих движений (в биокинематической цепи), вследствие суммирования равнонаправленных и вычитания разнонаправленных движений в разных суставах всегда происходит прибавление движения и вдоль радиуса (поступательное). Значит, биокинематическая цепь (по прямой линии — от ее начала до конца) укорачивается или удлиняется (например, при махе рукой, ногой в прыжках). Вектор v груза повернулся в сторону вращения. Эти два изменения скорости обусловлены ускорением Кориолйса. Когда биокинематическая цепь укорачивается, кориолисово ускорение звеньев, приближающихся к оси вращения, направлено навстречу вращению, а когда удлиняется, — в сторону вращения. От кориолйсова ускорения зависит убыстрение и замедление углового поворота, что можно объяснить появлением кориолйсовых сил инерции.

В биокинематических цепях с большим числом степеней свободы движений кинематика очень сложна. Каждое движение в сочленениях незамкнутой цепи (например, свободной конечности) влияет на траектории, скорости и ускорения более отдаленных звеньев. В этих случаях характеристики составных движений проще регистрировать, чем рассчитывать. Чаще всего определить их заранее нельзя: слишком уж много возможных вариантов. В процессе тренировки происходит согласование движений звеньев, необходимое для достижения цели, обеспечивается необходимая плавность и рациональная форма траекторий, происходит согласование величины и направлений скоростей; регулируется быстрота нарастания и снижения ускорений. Последнее определяет резкость движений и зависит от быстроты увеличения и ослабления усилий. Одновременно ритмы движений звеньев и цепей согласуются в общий ритм действия. Происходит сложная интеграция движений биомеханической системы посредством процесса управления движениями.

В зависимости от направления скоростей движения звеньев тела человека могут быть возвратно-вращательными, возвратно-поступательными и круговыми.

Строение сочленений не позволяет совершать движения в суставах по «принципу колеса», т. е. делать неограниченный поворот вокруг оси сустава в одну сторону. Поэтому почти все движения имеют возвратный характер. Возвратно-вращательные движения напоминают движения маятника вокруг оси, расположенной поперек биокинематической цепи (сгибание-разгибание) или продольно (супинация-пронация).

Пример возвратно-поступательного движения — работа пилой, напильником. В этих случаях угловые скорости противоположно направленных движений одинаковы (пара скоростей).

Наконец, в шаровидных суставах возможно сложное круговое движение, когда продольная ось звена описывает коническую поверхность. При этом согласуются два движения: самой продольной оси и звена вокруг этой оси. Только такое конусообразное движение и может выполняться без обязательных возвратных движений.

В возвратных движениях имеется критическая точка, в которой происходит смена направления движения (амортизации на отталкивание — в беге, заноса весла на гребковое движение — в гребле, замаха ракеткой на ударное движение — в теннисе). В каждом суставе направления и размах движений ограничены. Значит, звено в суставе может занимать не любое, а лишь анатомически возможное положение. Однако из бесчисленного множества возможных движений только малая часть вызвана потребностями человека и отвечает энергетическим требованиям. Эти движения отобраны и закрепились в человеческой практике как наиболее рациональные, стали привычными к общеупотребительными.

Степени свободы и связи движений

Если у физического тела нет никаких ограничений (связей), оно может двигаться в пространстве во всех трех измерениях, т. е. относительно трех взаимно перпендикулярных осей (поступательно), а также вокруг них (вращательно). Следовательно, у такого тела шесть степеней свободы движения (рис. 1(в)).

Каждая связь уменьшает число степеней свободы. Зафиксировав одну точку свободного тела, сделав его звеном пары, сразу 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) (рис. 1 (г)). 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 (рис. 1 (д)). Закрепление третьей точки, не лежащей на этой оси, полностью лишает звено свободы движений (рис. 10 (ё)). 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.

Каждая биомеханическая пара многоосного сустава заключает в себе возможности многих механизмов (А. А. Ухтомский). Из множества возможностей при помощи управляющих воздействий мышц выделяют заданное управляемое движение. Биокинематические соединения богаче возможностями, чем кинематические соединения в технических механизмах, но управление ими сложнее.

Следовательно, множество степеней свободы кинематической пары в многоосных суставах требует для выполнения каждого определенного движения:

а) выбора необходимой траектории,

б) управления движением по траектории (направлением и величиной скорости) и

в) регуляции движения, понимаемой как борьба с помехами, сбивающими с траектории.

Движения вокруг осей

Тело человека можно разбить на 15 звеньев, которые имеют между собой сочленения и представляются

рычагами или маятниками. Поэтому одним из основных является интерес биомеханики к движению звена в точке сочленения – суставе.

Причиной начала, изменения или прекращения вращательного движения твердого тела (при этом вращательное ускорение не равно нулю) относительно какой-либо оси является момент силы М относительно этой оси.

Сила не является величиной, достаточной для описания и расчета вращательного движения тела.

Необходимо рассматривать также ее пространственное направление.

Условием равновесия твердого тела, которое может совершать вращательное движение вокруг какой-либо

оси, является равенство сумм моментов сил, вращающих тело вокруг этой оси по направлению движения Мi

и в противоположном направлении Mj : М1 + М2 + М3 + … = M1 + M2 + M3 + …

Чтобы звено человеческого тела привести во вращательное движение направление действия силы не должно

быть параллельно оси вращения этого звена или проходить через точку сочленения.

Соединение костей скелета

Соединения костей бывают непрерывными и прерывными. Непре-рывные (синартрозы) являются более ранними по развитию и непод-вижными по функции. Прерывные соединения (диартрозы, или сус-тавы) появляются в процессе развития значительно позже и по функции являются подвижными. Между этими формами существует переход-ная форма — симфиз, или полусустав, характеризующийся наличием небольшой щели и не имеющий строения настоящего сустава.

По характеру ткани, соединяющей кости, синартрозы делятся на синдесмозы, синхондрозы и синостозы.

Синдесмозом называется соединение, в котором между костями после рождения остается соединительная ткань. К ним относятся межкостные перепонки, связки и швы. Межкостные перепонки — это соединительная ткань, заполняющая большие промежутки между костями (между костями предплечья или голени). Соединительная ткань связок приобретает строение волокнистых пучков (связки меж-ду отростками позвонков). В швах соединительная ткань представля-ет собой тонкую прослойку между костями черепа. По форме краев

соединяющихся костей различают зубчатый шов — зубцы по краю од-ной кости входят в промежутки между зубцами другой (между костя-ми свода черепа), чешуйчатый — край одной кости накладывается на край другой (между височной и теменной костями) и плоский шов — незазубренные края плотно прилегают друг к другу (между костями лицевого черепа).

Синхондроз характеризуется соединением костей посредством хря-ща. По свойству хрящевой ткани синхондроз делится на гиалиновый (между первым ребром и грудиной) и волокнистый (между телами по-звонков). По длительности своего существования синхондрозы бывают временные и постоянные. Временные с определенного возраста заме-няются синостозами (между тремя костями пояса нижних конечно-стей, сливающихся в единую тазовую кость). Постоянные существуют в течение всей жизни человека (между пирамидой височной кости и клиновидной костью, между пирамидой и затылочной костью).

Для синостоза характерно наличие в промежутках между костями соединительной ткани, переходящей в костную или сначала в хряще-вую, а затем в костную, в результате чего кости оказываются соеди-ненными посредством костной ткани (эпифизы и диафизы трубчатых костей, кости основания черепа, тазовые кости).

Диартрозы представляют собой подвижные соединения, участ-вующие в перемещении частей тела относительно друг друга и являю-щиеся органами передвижения тела в пространстве. По числу суставных поверхностей диартрозов выделяют простой сустав, имеющий одну пару суставных поверхностей (межфаланговый); сложный, имеющий две или более пары суставных поверхностей (локтевой); комплекс-ный, содержащий внутрисуставной хрящ, который разделяет сустав на две камеры (коленный); комбинированный, состоящий из нескольких изолированных суставов, расположенных отдельно друг от друга, но функционирующих вместе (два височно-нижнечелюстных сустава).

По форме и выполняемой функции выделяют одно-, двух- и мно-гоосные суставы. Одноосные суставы выполняют функции сгибания и разгибания, вращения. Они бывают цилиндрическими (лучевой и локтевой) и блоковидными (межфаланговый). Двухосные выполня-ют функции сгибания и разгибания, отведения и приведения. К ним относятся: эллипсовидный (лучезапястный), мыщелковый (коленный) и седловидный (запястно-пястное сочленение I пальца). Для много-осных суставов характерны все вышеописанные функции и, кроме того, круговое движение. К ним относятся шаровидный (плечевой) и плоский (между отростками грудных позвонков) суставы.

Сустав, в полости которого имеется хрящевое включение в виде дис-ков или менисков называется комплексным. К комплексным суставам отно-сятся височно-нижечелюстной и коленный суставы. Выделяют группу ком-бинированных суставов. Понятие "комбинированный сустав" − функцио-нальное, так как обозначает два или больше суставов, анатомически обособ-ленных, но функционирующих согласованно. Примером комбинированных суставов являются височно-нижечелюстные суставы, которые находятся на противоположных сторонах головы, но движение в них происходит одно-временно.