Курс лекций по биомеханике. Курс лекций Содержание Биомеханика как учебная и научная

• Название: Курс лекций Содержание Биомеханика как учебная и научная
• Анкор: Курс лекций по биомеханике.doc
• Дата: 24.04.2017
• Размер: 5.94 Mb.
• Имя файла: Курс лекций по биомеханике.doc
• Тип: Курс лекций; #1886
• страница: 5 из 26

10.Некоторые данные о конституции человека

Классификация типов конституции человека основывается на различных принципах: морфологических, функциональных, био­химических, нейрореактивных, гормональных и др.

Астенический тип характеризуется высоким ростом, длинной грудной клеткой с острым подгрудинным углом, длинной шеей, узкими наплечьями, относительно длинными конечностями, неж­ной тонкой и бледной кожей и слабо развитой подкожной клет­чаткой. Сердце малых размеров, легкие удлиненные, кишечник короткий, давление крови пониженное, преобладают процессы диссимиляции (рис. 2.21).

Гиперстенический тип имеет черты в общем прямо противо­положные предыдущему типу, т. е. средний и ниже среднего рост, массивное тело, выраженное жироотложение (склонность к туч­ности), относительно короткие конечности, короткая грудная клетка, короткая шея, большой живот, относительно большое серд­це, длинный кишечник, склонность к повышению артериального давления, преобладают процессы ассимиляции.

Нормостенический(атлетический, мускульный) тип облада­ет относительно пропорциональным гармоничным телосложени­ем, хорошо развитой в большинстве случаев костной и мышечной системами. Считают, что нормостенический тип занимает среднее положение между астеническим и гиперстеническим типами.


Рис. 2.21. Типы конституции человека:

а— астенический; б — нормостенический; в — гиперстенический

В настоящее время принято считать, что представители разных типов конституции человека — это группы людей, обладающих ком­плексом более или менее сходных наследственных и приобретенных в течение индивидуальной жизни признаков (морфологических, фи­зиологических, биохимических, высшей нервной деятельности и др.), обусловливающих особенности жизнедеятельности и реактивности всего организма.

11.Нервная регуляция позы и движений

Нервная регуляция работы скелетных мышц осуществляется двигательными центрами ЦНС. Они должны гарантировать стро­го необходимую степень возбуждения и торможения иннервирующих эти мышцы мотонейронов, чтобы возникающие мышечные сокращения обеспечивали только нужное движение — не больше и не меньше. Однако точное выполнение движений возможно толь­ко в случае адекватного исходного положения туловища и ко­нечностей. Нервная регуляция соответствия позы и движения, их правильного сопряжения — одна из важнейших функций двига­тельных центров.

Запрограммированные (автоматические) движения. Орга­низация движений не всегда основана на рефлексах. Например, внешнее дыхание. Такая последовательность движений, поддер­живаемая ЦНС без внешней стимуляции, называется «запрограм­мированной», или автоматической.

После того, как была обнаружена способность ЦНС к такой дея­тельности, быстро получила признание гипотеза, согласно которой движения регулируются в основном программами, а не рефлек­сами, и представление о «программной организации» ЦНС стало общепринятым. Дыхание, ходьба, чесание — все это примеры врожденных программ, к которым в течение жизни индивида до­бавляется множество приобретенных. Среди последних есть спор­тивные или профессиональные навыки (гимнастические движения, печатание и т. п.), становящиеся в результате соответствующей практики почти автоматическими.

Целенаправленные функции и функции позы. Другой важный момент состоит в том, что значительная часть нашей мышечной деятельности направлена не на осуществление движений во внеш­ней среде, а на принятие и поддержание позы, положения тела в пространстве. Без контроля позы со стороны двигательной сис­темы, человек беспомощно рухнет на землю, как боксер в нокауте.

Кроме того, двигательная система управляет всеми целенаправ­ленными движениями тела во внешнем мире. Они всегда сопро­вождаются работой и реакциями механизмов позы, идет ли речь о подготовке к движению или о коррекции позы во время или после него. Тесная взаимосвязь между функциями позы и целенаправ­ленными функциями — функциональное свойство двигательной системы.

Адаптация двигательной системы к выполнению все более слож­ных задач происходит постепенно. Филогенетическое развитие происходит путем не столько преобразования уже существующих, сколько формирования добавочных регулирующих механизмов для выполнения новых видов деятельности. Параллельно этому повы­шается и специализация отдельных двигательных центров. В ре­зультате центры регуляции двигательной активности не только составляют элементы иерархической системы, но одновременно действуют как партнеры.

В спинном мозге сенсорные афферентные волокна образуют мно­жество связей с мотонейронами, главным образом — через интер­нейроны. От того, какие связи задействованы, зависит активация или торможение определенных движений.

Организм используют нужные программы, не привлекая выс­шие нервные центры к разработке деталей их выполнения.

Высшие двигательные системы включают все супраспинальные центры, участвующие в двигательной регуляции. Функции позы и их координация с целенаправленными движениями контролиру­ются главным образом структурами ствола мозга, а сами целена­правленные движения требуют участия центров еще более высо­ких уровней. Побуждение к действию и стратегия движения формируются в подкорковых мотивационных областях и ассоциативной коре, затем преобразуются в програм­мы движения, те передаются в спинной мозг, а оттуда к скелетным мышцам для реализации.

Сенсорная информация и двигательная активность тесно взаимосвязаны. Для правильно­го выполнения движений необходимо, чтобы ко всем отвечающим за это структурам в каждый момент времени поступала с перифе­рии информация о положении тела и о ходе реализации состав­ленной программы.

Основные характеристики локомоции, т. е. перемещения чело­века в окружающей среде при помощи координированных движе­ний конечностей, запрограммированы на уровне спинного мозга (R.M. Herman et al. 1976; M.L. Shik, G.N. Orlovsky, 1976).

12.Функциональный анализ положения человека в позе стоя

Опорная роль нижних конечностей наиболее велика при раз­личных формах позы стоя. Различают позу стоя (стойку) симмет­ричную, при которой тяжесть тела распределяется равномерно на обе нижние конечности (рис. 2.24), и асимметричную, когда тя­жесть тела передается преимущественно или целиком на одну из конечностей. При всех видах — как симметричной, так и асиммет­ричной позы стоя удержание тела в состоянии равновесия возмож­но только в том случае, когда вертикальная линия, проведенная из центра тяжести тела, проходит в пределах площади опоры.

Симметричная поза стоя в зависимости от положения тела имеет три основных вида: стойка нормальная, стойка военная и стойка неряшливая.

Нормальная стойка обычно принимается за исходное положение (и. п.) при атропометрических измерениях тела. Это такой вид стойки, при котором общий центр тяжести тела и поперечная ось тазобедренного сустава лежат в одной плоскости, туловище и голова умеренно выпрямлены, угол наклона таза 50—65, пятки вместе, носки разведены под углом 65—70°, перпендикуляр, опущенный из общего центра тяжести, пересекает линию, соеди­няющую вершины внутренних сводов стоп.

При нормальной стойке для уравновешивания тела необходимо небольшое балансирующее напряжение всех мышц, окружающих тазобедренный сустав. Удержание колена в среднем положении определяется некоторым напряжением его связок и тонусом мыш­цы, натягивающей широкую фасцию (отчасти также сгибатели ко­лена). В голеностопных суставах тяжесть тела уравновешивается главным образом напряжением камбаловидных мышц. Устойчи­вость равновесия тела при этой стойке может быть увеличена, если расставить ноги во фронтальной плоскости.

Стойка военная (положение «смирно») характеризуется тем, что перпендикуляр, опущенный из общего центра тяжести тела, проходит спереди поперечных осей главнейших суставов (тазобед­ренный, сустав колена, голеностопный) нижних конечностей. При этом виде стойки туловище и голова выпрямлены, поясничный лордоз, а вместе с ним и наклон таза увеличен до 80—90°, живот подтянут, грудная клетка расширена. Положение «вольно» такое же, как и при нормальной стойке. В данном случае для удержания тела в состоянии равновесия, в частности, для предотвращения его падения вперед, необходимо сильное напряжение мышц зад­ней поверхности тела и особенно нижних конечностей, причем наи­большую нагрузку несут ягодичные мышцы. Отмеченная стойка отличается большой неустойчивостью, но более выгодна для не­посредственного перехода к движению.

При стойке неряшливой(«удобное положение») туловище как бы откинуто назад, а нижние конечности в коленных суставах в большей или меньшей степени переразогнуты, в результате чего перпендикуляр, опущенный из ОЦТ, сдвинут назад. При этом все тело в известной мере расслаблено, грудной кифоз увеличен, а по­ясничный лордоз, наоборот, уменьшен, таз расположен более го­ризонтально (наклон около 40°), ребра опущены.

Отмеченный вид стойки отличается наибольшим участием в функции удержания тела в равновесии пассивных соединительнотканных элементов. Особенно важна роль при этом подвздошно-бедренных связок, натяжение которых препятствует падению туловища назад. Сустав колена удерживается в разогнутом состоя­нии главным образом при помощи связок. В голеностопных суста­вах сохраняется равновесие за счет незначительного сокращения камбаловидных мышц.

Неряшливая стойка обеспечивает наиболее устойчивое рав­новесие, которое может быть увеличенным, если расставить ноги на ширину плеч. К неблагоприятному влиянию этого вида стойки следует отнести уменьшенную глубину вдоха и давление органов малого таза на мышцы тазового дна.

От различных видов положения стоя следует отличать осанку тела, под которой понимается не вынужденное или сознательное взаиморасположение звеньев, а привычное держание тела, обу­словленное индивидуальными особенностями человека (рис.25).

Выделяют следующие виды осанки: нормальная, сутуловатая, лордотическая, кифотическая, выпрямленная (плоская), сколиозная

Осанка зависит от формы позвоночника, равномерности раз­вития и тонуса мускулатуры торса, вида деятельности, возраста и других факторов.


Рис. 25. Виды осанки:

а — нормальная; б — сутуловатая; в — лордотическая; г — кифотическая;

д — выпрямленная (плоская)

Напряжение (тонус) мышц в спокойном состоянии невелико. Момент силы тяжести головы способствует ее наклону вперед, этому противодействует напряжение мышц, вызывающих наклон головы назад и разгибание шеи. Противодействие силе тяжести, стремящейся произвести сгибание позвоночного столба, оказы­вают мышцы, разгибающие его. Наклон таза назад препятствует натяжению подвздошно-бедренных и лобково-бедренных связок.

Кроме пассивных сил в обеспечении равновесия тела принима­ют участие также мышцы нижних конечностей: сгибатели бедра, разгибатели голени и сгибатели стопы.

При функциональном нарушении осанки и сколиозе выявляется мышечный дисбаланс.

Тема 4. ТЕЛО ЧЕЛОВЕКА КАК БИОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

1. Механические свойства звеньев и их соединений 2. Соединения звеньев 3. Звенья как рычаги

4.Биомеханические свойства мышц 5. Механическое действие мышц 6.Групповые взаимодействия мышц
Строение и функции органов опоры и движения отличаются у че­ловека большой сложностью. Этим обусловлено чрезвычайное много­образие возможностей положений и движений тела. Особенности тела человека, в частности двигательного аппарата, дают основание рассматривать тело в целом и его части как особые биомеханические системы.

Под биомеханическими системами понимается объединение живых объектов (например, органов, тканей), обладающих общими особенностями в проявлении законов механического движения, а также общими особенностями способов управления ими, участия в этих дви­жениях или в их использовании. Различают системы активные (всего тела, двигательного аппарата) и пассивные (внутренних органов, мягких и жидких тканей). Особый интерес для изучения дви­жений человека представляет биомеханическая система его двигатель­ного аппарата, которая служит: а) источником энергии, б) механизмом для передачи усилий, в) объектом движения и г) системой управле­ния.
1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗВЕНЬЕВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ

С позиций теории механизмов и машин¹ части тела человека, имеющие подвижные соединения, принято рассматривать как звенья, составляющие биокинематические пары и цепи. Звенья цепей и их соединения находятся под действием приложенных к ним сил (нагру­зок). В этих условиях проявляются особенности строения и функции (механические свойства) тела человека, влияющие на выполнение движений.

1.1. Виды нагрузок и характер их действия

Силы, приложенные к телу и в совокупности вызывающиеегодеформации², называются нагрузками. (Деформация — изменение формы и размеров.)

К основным видам деформаций относятся: растяжение, сжатие, изгиб, кручение и сдвиг (рис. 2). Кости скелета и мягкие ткани при деформации под действием при­ложенных сил (нагрузок) противодействуют им.



Рис. 2. Нагрузки, вызывающие деформацию:

а — растяжение; б — сжатие; в — изгиб; г — кручение (ориг.). На схемах внизу — смещение элементов (по С. Э. Хайкипу)

Нагрузки, обусловливающие растяжение,—это самые харак­терные нагрузки для мягких тканей. Они возникают, например, при висах (см. рис. 2, а) или во время удержания груза в опущенных руках.

Нагрузки, создающие сжатие костей и хрящей, встречаются чаще всего при вертикальном положении тела на опоре. В этом случае на скелет действуют, с одной стороны, силы тяжести тела и вес внеш­них отягощений, а с другой —давление опоры (см. рис. 2, б).

Нагрузки, вызывающие изгиб, обычно встречаются, когда кости выполняют роль рычагов. В этих случаях приложенные к ним силы мышц и силы сопротивления направлены поперек костей и вызывают изгиб (см. рис. 2, в).

Наконец, нагрузки, обусловливающие кручение, чаще всего встречаются при вращательных движениях звена вокруг продольной оси (см. рис. 2, г).

По характеру действия различают нагрузки статические и дина­мические. Первые обычно постоянны по величине и, как правило, относительно невелики. Вторые возникают при движениях¹, когда приложены силы инерции; они изменяются и могут нарастать до очень больших величин (например, нагрузки на сжатие после падения с боль­шой высоты, нагрузки на изгиб при ударе). Такие динамические на­грузки, особенно действующие не в обычном направлении (например, при ударе поперек кости), могут превысить запас прочности того или иного звена, тогда произойдет повреждение двигательного аппарата.

Мышцы, суставные сумки, связки, а также хрящи, соединяющие кости скелета, деформируясь, уменьшают действие дина­мических нагрузок. Особенно большую роль в смягчении этого действия играют благодаря своей упругости мышцы. Если они недостаточно амортизируют нагрузку, то повреждаются связки и хрящи, а иногда даже и кости и сами мышцы.

Кости, как твердые тела, при передаче сил выполняют роль рычагов.

В биомеханике рассматривают в качестве твердых рычагов многие части тела (плечо, бедро и т. д.); считается, что они не изменяют своей длины, не сгибаются и не скручиваются.

1.2. Упругие деформации

Упругие деформации возникают в теле под действием нагрузки и исчезают при ее снятии.

Изменение формы (деформация) тел под действием приложенных к ним сил — свойство всех реальных тел². Абсолютно твердых тел, которые не деформируются ни при каких условиях, в природе не су­ществует.

В случае упругой деформации форма тела после прекращения дейст­вия деформирующей силы восстанавливается (например, стальная пружина) в отличие от пластической деформации, которая остается после снятия нагрузки, т. е. прежняя форма уже не восстанавливается (например, сырая глина). Таким образом,упругость — свой­ство тела самостоятельно восстанавливать после деформации свою форму.

Упругая сила (сила упругого напряжения), противодействуя изме­нению формы, нарастает и, в конце концов, прекращает деформацию как останавливающая сила — в этот момент она становится равной деформирующей нагрузке. Эта же упругая сила при снятии деформи­рующей нагрузки восстанавливает прежнюю форму тела как восста­навливающая сила. Напряжение деформированного тела измеряется в килограммах на квадратный сантиметр его сечения³.

Рассмотрим зависимость между деформацией тела и напряжением (на примере мягкой стали). Можно выделить 4 основных варианта:

зона линейной упругости — напряжение прямо пропорционально деформации (идеальная пружина). После разгрузки деформация пол­ностью исчезает;

зона нелинейной упругости — на равные приращения деформации приходятся все меньшие (как у мягкой стали) или все большие (как у мышцы) приращения напряжения; после разгрузки форма тела пол­ностью восстанавливается;

зона пластической деформации — с увеличением деформации напря­жение нарастает; после разгрузки форма тела восстанавливается не полностью (остаточная деформация);

зона разрушения — тело начинает разрушаться.

Зоны деформации различны у разных тел. Несколько упрощая, можно сказать, что у каждого тела в определенных условиях одна из зон больше других. Поэтому принято называть тело в зависимости от преобладающей зоны деформации линейно упругим, нелинейно упругим, пластическим или хрупким¹. Как было сказано выше, после упругой деформации происходит полное восстановление формы (линия ЛО); после пластической может произойти некоторое ее восстановление (линия БВ), но будет еще остаточная деформация (05).

В пределах малых деформаций упругих тел напряжение пропор­ционально деформации. Это выражено в законе Гука: =Е (линейная упругость) — «растяжение нагруженного тела пря­мо пропорционально нагрузке». Коэффициент Е (коэф­фициент пропорциональности) называется модулем Юнга (продольной упругости). Он показывает, насколько изменяется напряжение при деформации данного тела, как тело сопротивляется деформации. Тела, для малых деформаций которых необходимы большие нагрузки, вызы­вающие большие напряжения, называются жесткими. Например, для чугуна модуль Юнга равен 900 000 кГ/см³; для кожаного ремня — 2000 кГ/см³; для мышцы — от 10 до 120 кГ/см² и более. Считают, что модуль мышцы может изменяться более чем в 100 раз (приближенные данные).

Мышцы как упругие тела обладают нелинейной упругостью и не­пременной жесткостью.