Каждая связь уменьшает число степеней свободы. Зафиксировав одну точку свободного тела, сделав его звеном биокинематической пары, можно сразу лишить его трех степеней свободы — возможных линейных перемещений вдоль трех основных осей координат.
Почти во всех суставах (кроме межфаланговых, лучелоктевых и атлан-тоосевого) степеней свободы больше чем одна. Поэтому устройство пассивного аппарата в них обусловливает неопределенность движений, множество возможных перемещений («неполносвязный механизм»). Управляющие воздействия мышц формируют дополнительные связи и оставляют для движения только одну степень свободы («полносвязный механизм»). Так обеспечивается одна-единственная возможность движений — именно та, которая требуется. Множество степеней свободы биокинематической пары в многоосных суставах требует для выполнения каждого определенного движения:
а) выбора необходимой траектории,
б) управления движением по траектории (направлением и величиной скорости),
в) регуляции движения, понимаемой как борьба с помехами, сбивающими с траектории.
Биокинематические пары, соединяясь последовательно или параллельно, образуют биокинематические цепи.
Биокинематическая цепь, в которой конечное звено свободно, называется незамкнутой. Например, свободные конечности, когда их концевые звенья свободны.
Если в биокинематической цепи нет свободного конечного звена, то она является замкнутой (например, два противника, сцепившиеся в захвате друг с другом).
В замкнутой или незамкнутой цепи невозможно одиночное, изолированное движение, т. е. движение в одном соединении. Так, сгибая и разгибая ногу для удара, можно убедиться в том, что движение в любом суставе непременно вызывает движение в других. Таким образом, в замкнутых цепях возможностей движений меньше, но управление ими точнее, чем в незамкнутых.
Рассматривая тело человека как сложный биомеханизм, кости как жесткие звенья, а суставы как кинематические пары определенных классов, для всего человека имеем:
– подвижных костей—148,
– суставов с 3-мя степенями свободы — 29,
– суставов с 2-мя степенями свободы — 33,
– суставов с 1-й степенью свободы — 85,
– всего степеней свободы для всего биомеханизма — 244.
Понятие «кинематическая цепь» перенесено в биомеханику из технической механики, где применяется для описания и анализа кинематики механизмов. Под кинематикой понимают внешнюю картину движения, происходящего в пространстве и во времени. Соответственно и в биомеханике оно применимо для изучения и анализа кинематики опорно-двигательного аппарата, т. е. в процессе рассмотрения линейных и угловых перемещений, скоростей, ускорений звеньев тела — относительных и абсолютных (в выбранной системе отсчета).
В тех же случаях, когда представляет интерес динамика движений, развиваемые моменты суставных сил и силы взаимодействия звеньев тела между собой и с другими телами, когда анализируются силовые и энергетические возможности двигательного аппарата, понятие «биокинематическая цепь» уже не может удовлетворять. Здесь вводится понятие «динамическая цепь», обозначающее систему последовательно или параллельно соединенных силовых звеньев.
Под динамикой понимают сущность движения, его причины: прежде всего силовые и масс-инерционные характеристики.
Как биокинематические, так и биодинамические цепи могут быть последовательными (простыми) и разветвленными. Однако для динамических цепей понятие «замкнутая» лишено целесообразности, так как оно означает лишь наложение новых динамических (силовых) факторов, т. е. не вносит ничего принципиально нового.
Функциональные характеристики одинаковых силовых звеньев у разных людей неодинаковы. Это связано с различиями в росте, конституции, массе и физическом развитии. В связи с этим наиболее целесообразная структура заданного движений очень часто индивидуальна, т. е. отличается от общепринятой структуры движения, определяемой рациональной техникой управления. В основе этого лежит стремление компенсировать функциональную недостаточность одних звеньев за счет функциональной избыточности других звеньев динамической цепи. Компенсация осуществляется за счет:
– изменения нагрузки на силовые звенья;
– перераспределения скоростей движений звеньев.
Движения звеньев — суставные движения — совершаются в результате наличия суставных моментов.
Механическое движение биологических тел называют двигательным действием.
Для того чтобы количественно оценить двигательное действие, в том числе рассчитать суставные моменты, следует перейти к механическому представлению о рычаге.
Рычаги, их характеристики и виды
Рычаг — это твердое тело, имеющее точку опоры и способное вращаться вокруг этой точки — оси вращения; приспособление, служащее для преобразования силы[2]. В рычаге действует, по крайней мере, две силы с противоположными моментами.
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.
Когда силы приложены по обе стороны от оси (точки опоры) рычага, его называют двуплечим, а когда по одну сторону — одноплечим. Для разных мышц, прикрепленных в разных местах костного звена, рычаг может быть разного рода. В природе существует три рода рычага: рычаги I («весы»), II («тачка») и III («подъемный кран») родов (рис. 1).
Каждый рычаг имеет следующие элементы:
– точку опоры (ось вращения, точка 0),
– как минимум две силы (f и F),
– точки приложения этих сил (А и В),
– плечи рычага (расстояния от точки опоры до точек приложения сил — АО и ВО),
– плечи сил (наикратчайшие расстояния от точки опоры до линий действий сил — опущенные на нее перпендикуляры — А'О и 0В').
Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относительно точки опоры — вращательный момент. Момент силы определяется произведением силы на плечо этой силы.
Mf = F х OB' Mf= F x АО'
Момент силы — это векторная величина. Если сила лежит не в плоскости, перпендикулярной оси, то находят составляющую силы, лежащую в этой плоскости. Она и вызывает момент силы относительно оси. Остальные составляющие на момент силы не влияют (рис. 2).
Когда противоположные относительно оси сустава моменты сил равны, звено либо сохраняет свое положение, либо продолжает движение с постоянной скоростью (моменты сил уравновешены). Если же один из моментов сил больше другого, звено получает ускорение в направлении его действия.
Рис. 1, 2
В опорно-двигательном аппарате присутствуют рычаги всех трех родов, причем значительно больше рычагов III рода, рычагов скорости, так как мышцы крепятся в основном вблизи суставов.
Таким образом, двигательный аппарат человека по природе своей в большей степени быстрый и ловкий, чем сильный. Кроме этого во всех костных рычагах имеются потери в силе ввиду того, что мышцы крепятся к костям под острым или тупым углом.
В рукопашном бою силой, совершающей работу, является прикладываемое к противнику усилие, а противодействующей силой — усилие противника. Для преодоления противодействующей на рычаге силы необходимо либо увеличить силу, совершающую работу, либо изменить длину плеча, через которое совершается работа. Поскольку силовые возможности почти всегда ограничены, а бой может вестись со значительно превосходящим по силам противником, то основным способом работы с помощью рычагов является перемещение точки опоры. В качестве точки опоры могут использоваться любые части тела (своего и противника), а также оружия и подручных средств.
Основы биомеханики мышц
Известно, что мышца управляется центральной нервной системой. Биомеханика рассматривает, что происходит с состоянием и положением мышцы в результате нервных влияний, т. е. связь линейных перемещений концов мышц (кинематика движения) и усилий, развиваемых ею (динамика движения). Механика мышечного сокращения заключается в связи напряжений в мышце с ее деформацией.
Для полного описания биомеханических свойств мышц используют следующие определения:
жесткость — способность противодействовать прикладываемым силам. Она проявляется как упругость и квазижесткость;
релаксация — падение напряжения (натяжения) с течением времени;
прочность — понимается как прочность на разрыв.
Часто при исследовании механических свойств тела человека и его отдельных элементов не учитывается влияния сухожилий. Сухожилия нередко рассматривают как абсолютно нерастяжимую, гибкую часть мышцы. А сухожилия способны амортизировать резкие толчки и обладают жестко-демпфирующими свойствами.
