3.2. Условия сохранения положения звеньев и их движения как рычагов

Для равновесия рычага необходимо равенство моментов прило­женных сил противоположного действия относительно оси рычага;

для ускорения рычага — неравенство этих моментов сил.

В результате действия противоположных сил звено как рычаг мо­жет: а) сохранять положение или продолжать движение с прежней скоростью и б) получить ускорение в сторону той или иной силы. Эффект совмест­ного действия сил зависит от соотношения их моментов.

Если моменты обеих сил равны, то либо сохраняется неподвижное положение рычага, либо продолжается движение со скоростью, имев­шейся в момент уравнивания обоих моментов.

Когда момент одной из сил больше момента другой силы, возникает ускорение в ту сторону, куда направлена сила большего момента. Если больше момент силы мышечной тяги, мышца сокращается (преодолевающая работ а) и плечо рычага передвигается в ее сторону. Если больше момент силы отягощения, то мышца растяги­вается (уступающая работ а) и плечо рычага передвигается в другую сторону.

Следует заметить, что в рассмотренных случаях рычаг для упроще­ния расчета считается невесомым и безынерционным. В действитель­ности же звенья тела человека обладают весом и при ускорениях ока­зывают инертное противодействие в зависимости от своих моментов инерции.

В описанном выше примере (см. рис. 6, а) рычаг расположен гори­зонтально, поэтому направление веса отягощения перпендикулярно рычагу и плечо силы совпадает с плечом рычага (k). В движениях чело­века это бывает редко; чаще всего силы приложены под острым или тупым углом. Тогда плечо силы меньше плеча рычага и, следовательно, момент силы меньше максимально возможного для данной величины силы.

При тупом или остром угле приложения силы F (см. рис. 6, д, е) плечо силы (d) — катет, а плечо рычага (/) — гипотенуза в прямоу­гольном треугольнике. Следовательно, плечо силы меньше максималь­ного (см. рис. 6, г, где /—d), и момент силы поэтому тоже не наиболь­ший. Это же видно при разложении сил: нормальная составляющая (Fpf), перпендикулярная направлению движения, только прижимает рычаг к точке опоры или оттягивает от нее и непосредственно не влияет на скорость движения. Тангенциальная же составляющая (Рт), ка­сательная к траектории конца рычага, влияет на скорость движения. Поэтому тангенциальная тяга называется вращающей (или явной), а нормальная — укрепляющей (или скрытой).

При движениях изменяются положения костных рычагов и углы приложения сил. Следовательно, изменяются плечи сил. Длина мышц тоже не остается постоянной, а поэтому и их напряжения становятся больше или меньше.

Таким образом, моменты сил, их соотношение, а отсюда и условия сохранения положения или движения частей тела как рычагов не постоянны.

3.3. «3Олотое правило» механики1 в движениях человека

Работа, совершаемая силою, приложенной на одном плече рычага, передается на другое плечо.

Сила тяги мышцы, приложенная на коротком плече рычага, вызы­вает во столько раз большее смещение другого плеча, во сколько первое плечо короче второго; налицо выигрыш в пути. В связи с тем, что раз­ные пути проходятся за одно и то же время, здесь имеется выигрыш в скорости. Сила, передаваемая на длинное плечо рычага, как раз во столько же раз меньше, чем приложенная. Таким образом, выигрыш в скорости достигается за счёт проигрыша в силе. Почти все мышцы в теле человека прикрепляются вбли­зи суставов (короткое плечо рычага); это приводит к выигрышу в пути (а, следовательно, и в скорости) при проигрыше в силе. При большей части положений костного рычага мышечные тяги направлены под острым или тупым углом к звену (вдоль звена), что влечет невосполнимые потери в силе мышц (уменьшается вращающая тяга). Нормальная же (скрытая) тяга в этом случае способствует укреплению сустава, через который мышца переходит.

При больших нагрузках напрягаются все мышцы, окружающие сустав, в том числе и антагонисты. При этом резко возрастают потери в суммарной тяге мышц; в то же время достигается и положительный эффект — укрепление нагруженного сустава.

В связи с особенностями приложения мы­шечных тяг к костным рычагам необходимы весьма значительные напряжения мышц для выполнения не только силовых, но и скорост­ных д в и ж е н и и.

Входящие в биокинематические цепи звенья тела образуют системы составных рычагов, в которых «золотое правило» механики прояв­ляется намного сложнее, чем в простых одиночных рычагах.