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: 6 из 26

2. СОЕДИНЕНИЯ ЗВЕНЬЕВ

Соединения звеньев в биокинематических цепях обусловливают многообразие возможностей движении. От способа соединения и уча­стия мышц в движениях зависит их направление и размах (простран­ственная. форма движений).

2.1. Кинематические пары

Кинематическая пара — это подвижное соединение двух звеньев. Способ соединения накладывает ограничения (связи) на относи­тельное движение (степени связи); наличие подвижности в соеди­нении предоставляет звеньям определенные возможности отно­сительного движения (степени свободы движения).

Различают связи: а) геометрические (постоянные пре­пятствия перемещению в каком-либо направлении) и б) кинема­тические (ограничение скорости, например, мышцей-антаго­нистом) .

Кинематические пары бывают: а) поступательные — одно звено может перемещаться поступательно по другому (например, боковые движения нижней челюсти); б) вращательные (па-пример, повороты в наиболее распространенных в теле человека ци­линдрических и шаровидных суставах); в) винтовые с сочетанием поступательного и вращательного движений (например, в голеностоп­ном суставе). Соединения, допускающие поворот звеньев пары, назы­вают шарнирами.

2.2. Кинематические цепи

Кинематическая цепь — это последовательное или разветвленное соединение ряда кинематических пар. Кинематическую цепь, в которой конечное звено свободно, называют незамкнутой, а цепь, в которой нет свободного конечного звена,— замкнутой.

В каждом соединении незамкнутой цепи возможны изоли­рованные движения. Они геометрически независимы от движений в других соединениях (если не учитывать взаимодействия мыши). Например, свободные конечности, когда их концевые звенья свободны (рис. 4, а), представляют незамкнутые цепи. Замкнутымикинематическими цепями в теле человека являются, например, груди­на, ребро, позвоночник, ребро и снова грудина.

Такие замкнутые цепи разомкнуть невозможно. Незамкнутые могут замыкаться, причем часто через опору (см. рис. 4, а). В сложной пирамиде, составленной несколькими акробатами, образуются даже своего рода «сети» (в плоскости) и «решетки» (в пространстве) с очень сложной взаимной зависимостью движений звеньев.

В замкнутой или замкнувшейся цепи невозможно одиночное изолированное движение, т. е. движение в одном соединении. Так, сгибая и выпрямляя ноги в выпаде, можно убедиться в том, что движение в любом суставе непременно вызывает движения и в других (см. рис. 4, б).

Таким образом, дви­жения в незамкну­тых цепях харак­теризуются отно­сительной неза­висимостью звеньев. В замкнутых же, а также замкнувших­ся цепях движе­ния одних звень­ев влияют на дви­жения даже отда­ленных звеньев (по­могают или мешают).

Например, сгибая руки в локтевых суставах в упоре лежа (замкнувшаяся цепь), можно или отводить плечи, или разгибать их в плечевых суставах. Тогда будут растя­гиваться либо приводящие мышцы плеча (большие грудные, широчайшие спины и др.), либо сгибатели (передние части дельтовидных). Теперь при разгибании рук в локтевых суставах приводящие мышцы или сгибатели плечевых суставов в зависи­мости от того, какие мышцы растянуты, могут передавать свое действие на локтевые суставы — способствовать разгибанию рук в этих суставах.

Передача действия мышц на смежные и отдаленные суставы харак­терна для замкнутых цепей и часто имеет место в подобных условиях работы мышц.

В замкнутых цепях возможностей движе­ний меньше, но управление ими точнее, чем в незамкнутых.

2.3. Степени свободы движений

Число степеней свободы движений соответствует количеству возможных независимых линейных и угловых перемещений тела.

Тело, ничем не ограниченное в движениях (может двигаться в любом направлении), называется свободным. Движение свободного тела воз­можно в трех основных направлениях — вдоль осей координат, а также вокруг этих трех осей; оно имеет 6 степеней свободы движения (рис. 5, а).

Наложение связей уменьшает количество степеней свободы (табл. 1). Если закрепить одну точку тела, то сразу снимается 3 степени сво­боды: тело не сможет двигаться вдоль трех осей координат; у него останутся только возможности вращения вокруг этих осей, т. е. только три степени свободы (см. рис. 5, б). Так соединены кости трехосных (ша­ровидных) с у с т а в о в.



При закреплении двух точек в теле возможно вращение лишь вокруг линии (оси), проходящей через обе точки (см. рис. 5, в). Так соединены кости одно­осных суставов, обеспечивающих одну степень свободы. Если же закреп­лены три точки (не лежащие на одной линии), то движения тела совсем невоз­можны (см. рис. 5, г). Та кое соединение неподвижно и, следовательно, не яв­ляется суставом.

Как известно, двуосные суставы (эллип­совидный — лучезапястный, седловидный — первый запястно-пястный) обеспечивают вторую степень свободы благодаря неполному взаимно­му соответствию своих суставных поверхностей (неконгруэнтность). По этой же причине, если рука в локтевом суставе согнута, возможны приведение и отведение локтевой кости в плечелоктевом сочленении (например, при поворотах отвертки, штопора, ключа вокруг оси, проходящей вдоль второй пястной кости. в преобладающей части суставов тела человека 2 или 3 степени свободы. При нескольких степенях свободы движений (двух и более) возможно бесчисленное множество траекто­рий. Значит, в движениях в неодноосных суставах отсутствует определенность, задаваемая спо­собом соединения. Тем более это характерно для цепей с несколькими неодноосными суставами.

Множество возможностей движений в суста­вах кинематической пары более чем с одной степенью свободы в отли­чие от технической пары требует для выполнения каж­дого определенного движения: а) выбор необ­ходимой траектории, б) управления движением по траектории (направлением и величиной скорости) и в) регуляции движения, понимаемой как борьба с помехами, сбивающими с траектории (см. гл. IV).

2.4. Геометрия движений

Число основных осей сустава соответствует количеству степеней свободы движений одного звена относительно другого. Плоскость движения перпендикулярна оси вращения и характеризует на­правление перемещения звена. Размах движений — это угловое перемещение звена из одного крайнего положения в другое.

В суставном движении различают ось, плоскость и размах. Все пары звеньев связаны в суставах неразрывно, как в шарнирах, поэтому они могут двигаться в основном только вокруг осей (не считая незначительного скольжения). Однако не существует суставов совер­шенно правильной геометрической формы. А если бы даже такие и были, то при сдавливании гиалиновых суставных хрящей форма су­ставных поверхностей нарушалась бы. Следовательно, геометрические оси вращения не постоянны и правильнее говорить о мгновенных осях вращения. В связи с этим количество осей в суставе означает в биоме­ханическом смысле только количество степеней свободы движения, а не постоянных геометрических осей вращения.

Продольные оси звеньев чаще всего не строго перпендикулярны геометрическим осям вращения. Поэтому различные точки звеньев движутся в плоскостях, параллельных друг другу, а сама продольная ось звена описывает поверхности, близкие к коническим. Таким обра­зом, плоскость движения в суставе характеризует, в какой плоскости движутся точки звена. Она перпендикулярна геометрической оси вра­щения и не обязательно совпадает с плоскостью движения продольной оси самого звена.

Размахом движений измеряется подвижностьв каждом отдельном суставе¹. Наибольший размах бывает в пассивных движениях; с уве­личением внешней нагрузки (вес отягощения, силы инерции) растя­гиваются мягкие ткани-ограничители. Размах же в активном движении меньше, чем в пассивном, так как там мышцы имеют предел силы, в то время как величина внешних сил не ограничена. К тому же сила собственных мышц пары звеньев при­ложена невыгодно при крайних положениях звеньев в суставе.

Подвижностью соседних звеньев в соединениях каждой пары обус­ловлена гибкость всей кинематической цепи в целом. Гибкость цепи (например, позвоночника) измеряется общим размахом движения концевого звена относительно другого конца цепи.

Общий размах движения в целом бывает меньше суммы размахов изолированных дви­жений в суставах, так как вследствие пассивной недостаточ­ности многосуставных мышц возникают дополнительные связи.

3. ЗВЕНЬЯ КАК РЫЧАГИ

Скелет, составленный из подвижно соединенных костей, представ­ляет собой твердую основу биокинематических цепей. Звенья цепей с приложенными к ним силами (мышечной тяги и др.) в биомеханике рассматриваются как система составных рычагов.

3.1. Виды рычагов в теле человека

Рычаг — твердое тело, которое может под действием приложен­ных сил вращаться вокруг опоры (оси) в двух противоположных направлениях, а также сохранять свое положение.

Как простейший механизм, рычаг служит для передачи движения и си­лы на расстояние.

Каждый рычаг имеет точку опоры — ось рычага (О на рис. 6), точки (А, В) приложения двух взаимно противодействующих сил (G и Q). Чтобы опреде­лить расстояние до ме­ста приложения сил от оси рычага, измеряют плечи рычага (О А и 0В). Чтобы определить расстояния до направления дей­ствия сил от оси рычага, измеряют плечи сил {а. и k — перпендикуляры, опущен­ные из точки О на линии дей­ствия сил, т. е. их направле­ния).

Рычаги бывают о д н о п л еч и е (с точкой опоры на конце рычага — см. рис. 6,а)и двуплечие (с точкой опоры между кон­цами рычага — см. рис. 6, б). Принципиальной разницы в отношении работы сил между ними нет: поворачивая плечо двуплечего рычага вокруг точки О из положения do в di, затем da, можно перейти к ры­чагу одноплечему (см. рис. 6, б). У нового, одноплечего, рычага иная форма, но те же свойства, что и у прежнего, двуплечего, рычага.

Звенья тела человека имеют в своей основе костные рычаги. Двуплечие рычаги используются, например, при сохранении положения стоя, а одноплечие — в быстрых движениях конечностей. Одно и то же звено для разных мышц может быть то одноплечим, то двуплечим рыча­гом.

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.

4. БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЫШЦ

Мышцы как физические тела обладают рядом механических свойств — упругостью, вязкостью, ползучестью, релаксацией. Как биологические объекты мышцы проявляют свойства возбудимости и сократимости. Все названные свойства тесно взаимосвязаны, что важно учитывать при биомеханическом исследовании движений.

4.1. Механические свойства мышц

Упругость проявляется в возникновении напряжения в мышце при ее деформации под действием нагрузки. Вязкость — в замед­лении деформации внутренними силами (жидким трением, моле­кулярными силами).

На графике «длина — напряжение», полученном на изолированной мышце экспериментально (рис. 7, а), удобно рассмотреть упругостьмышцы. Здесь видно, как по мере увеличения нагрузки мышца удли­няется и как при этом растет ее напряжение. Отсюда следует:

1) нагрузка (Р) растягивает мышцу, удлиняя ее (на l), т. е. для растягивания мышцы необходимо приложить силу;

2) по мере удлинения мышцы (на l) ее напряжение увеличивается (на F); следовательно, чтобы вызвать напряжение мышцы (без дополнительного возбуждения), необходимо ее растянуть;

3) приложенная нагрузка (Р) определяет величину напряжения мышцы (F); таким образом, чтобы получить большое напряжение, надо приложить большую наг­рузку (сопротивление тяге мышцы) — действие равно про­тиводействию;

Рис.7. Графики «длина—напряжение» мышцы:

а — проявление упругости (зависимость дефор­мации и напряжения от нагрузки); б — прояв­ление вязкости («петли гистерезиса») (ориг.)

4) упругость мышцы нели­нейна ( l₂ больше l₃ при рав­ных F₂ и F₃); следовательно, по мере значительно­го растягивания оди­наковые приращения длины мышцы дают все большие прира­щения напряжения;

5) при отсутствии нагрузки длина мышцы (l) является наи­меньшей («свободная длина» мышцы) — нерастянутая мышца не напряжена;

6) в условиях организма длина мышцы (/о) больше «сво­бодной длины» и мышца не­сколько напряжена, т. е. всегда обладает «тонусом» покоя (F₀).

Таковы особенности упругих свойств невозбужденной мышцы.

Вязкость мышцы как причину запаздывания деформации можно наблюдать по отклонению графика действительной деформации от линии зависимости «длина — напряжение» в установившемся состоя­нии (см. рис. 7, б— линия A). При меньшей вязкости (линии Б) изме­нение длины отстает от изменения напряжения как при растягивании мышцы (£i), так и при ее сокращении (Б_z). В этом случае мышца, хотя и не сразу, но все же возвратилась к исходному состоянию (точка l₃). При большей вязкости (линии В) замедление еще больше и мышца не возвратилась к прежнему состоянию (точка l₃) — обнаружилась остаточная деформация (расстояние l₃ — l₁).

Полученные кривые (Б, В) образуют так называемые «петли гисте­резиса», характеризующие запаздывание процесса деформации из-за тормозящего действия вязкости. При этом неизбежна потеря энергии. Она пропорциональна площади, ограниченной петлей гистерезиса (косая штриховка для Б₁—Б_z и вертикальная—для B₁—В_z)- Действительно, площадь, определяемая произведением си­лы (напряжение) и пути (изменение длины), равна работе, затраченной на преодоление вязкости.

Ползучесть — это свойство мышцы изменять с течением времени соотношение «длина — напряжение»: нагруженная (напряженная) мышца имеет соответствующую длину; через некоторое время при тех же нагрузках и напряжении эта длина уве­личивается.

Релаксациязаключается в том, что растяну­тая мышца, сохраняя длину, постепенно с те­чением времени уменьшает свое напряжение, рас­слабляется.

Совокупность этих ме­ханических свойств (упруговязких, ползучести и релаксации) во всевозмож­ных сочетаниях в различ­ных условиях, в сущности, и есть то, что называется эластичностью¹мышцы.

Высокоэластичноймышце свойственны зна­чительная растяжимость, большая жесткость при большом растягивании (нелинейная уп­ругость) и малые потери энергии (небольшая вязкость) при деформациях. И хотя механизм, обеспечивающий названные свойства, еще неполностью объяснен, их прояв­ления очень важно учитывать при изучении способов повышения эффективности действия мышц в движениях.

4.2. Режимы работы мышц

Режим работы мышцы определяется изменением либо ее длины, либо ее напряжения, либо того и другого одновременно.

Возбудимость мышцы проявляется в изменении как ее напряжения, так и механических свойств — упругости, вязкости и др. В результате возбуждения химическая энергия в мышце превращается в механи­ческую. Возбужденная мышца при той же нагрузке и напряжении имеет мень­шую длину — не меняя своего напря­жения, она сокращается.



Мышца не возбуждена Мышца не возбуждена

Рис. 9. Работа мышцы:

а — проявление возбуждения: режи­мы — изотонический (1—2), изомет­рический (1—3), ауксотонический (1—4); б — проявление вязкости мышцы (орг.)

Свойство сократимости удобно разо­брать на графиках «длина — напряже­ние» невозбужденной и максимально возбужденной мышц (рис. 9, а). Вся кривая, относящаяся к максимально возбужденной мышце, расположена вы­ше, чем кривая покоющейся.

Следовательно, при равной ве­личине напряжения длина возбужденной мышцы меньше.
Кривые, полученные при разных степенях возбуждения мышц, занимают промежуточное положение между упо­мянутыми крайними случаями. Можно этот же график разобрать иначе: точки кривой максимально возбужденной мыш­цы расположены правее (например, точ­ки1и 3) точек графика покоющейся мышцы, имеющей ту же длину.

Значит, при одной и той же длине мышца, будучи воз­бужденной, напряжена боль­ше, чем в состоянии покоя.

Если в подготовительном движении (например, замах, подседание) мышца перед сокращением растягивается, то она тормозит движение; кинетическая энергия тормозимого звена переходит в потенциальную энергию упругой деформации мышцы. Теперь растянутая мышца напря­жена; в ней накоплена потенциальная энергия упругой деформации. С началом активного движения при возбуждении мышцы в ней обра­зуется механическая энергия напряжения, освобождаемая при биохи­мической реакции.

Вся биопотенциальная энергия мышцы состоит из превра­щенной биохимической и упругой механиче­ской.

Преобразование всей биопотенциальной энергии мышцы в механи­ческую (кинетическую) по-разному проявляется в различных условиях работы мышцы. Линия перехода па графике от точки 1 к точке 2 изоб­ражает сокращение мышцы в изотоническом режиме (без изменения напряжения — см. рис. 9, а). В реальных движениях в живом орга­низме такой режим вряд ли может встретиться. При движениях изме­няются моменты сил мышечной тяги, а также других сил, поскольку изменяются углы их приложения, а у мышц — и их длина. Сохра­нять величину напряжения мышцы в этих условиях практически не­возможно, да это и не нужно.

Линия перехода на графике от точки 1 к точке 3 изображает увели­чение напряжения мышцы при ее работе в изометрическом режиме. Например, при непреодолимых препятствиях длина мышцы не изме­няется, однако напряжение ее вследствие возбуждения увеличивается. Это случай «статической работы» мышц при сохранении положения тела (см. гл. VI).

Для работы мышц человека при движениях обычен так называемый ауксотонический режим¹(например, линия перехода на графиках от точки 1 к точке 4),связанный с изменением и длины, и напряжения мышцы. Этот режим правильнее было бы называть «ауксоническим», учитывая, что изменяется не только напряжение, но и длина мышцы.

На графиках реальных движений все рассмотренные переходы про­исходят не по прямым линиям, так как вязкость замедляет деформа­цию. На рис. 9, б представлены петли гистерезиса при возбуждении ранее нагруженной мышцы (/—2), при дополнительной нагрузке воз­бужденной мышцы {2—3) и после снятия возбуждения при ее разгрузке {4—I}. Заштрихованные участки соответствуют потерям энергии на преодоление вязкости. Считают, что вязкость мышц увели­чивается при быстрых движениях и при зна­чительном возбуждении, т. е. как раз в условиях сорев­новательной борьбы спортсмена. Однако разогревание мышц при разминке снижает вязкость, уменьшает торможение при сокращении и растягивании мышц. Следовательно, на соревнованиях и тренировках важно для снижения вязкости сохранять в разогретых мышцах тепло.

5. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ МЫШЦ

Механическое действие мышц проявляется в основном как тяга. Мышечная тяга характеризует величину приложенной силы мышц и ее направление — она образуется при суммировании сил тяги всех ее волокон.

5.1. Величина и направление тяги мышцы

Тяга мышцы зависит от совокупности механических, анатомиче­ских и физиологических условий.

К механическим условиям относится нагрузка — как растяги­вающая мышцу, так и противодействующая ее сокращению. С увел и ч е н и е м длины растягиваемой мышцы растет ее уп­ругое напряжение (если возбуждение неизменно). Это осо­бенно выражено при больших растягиваниях, в связи с проявлением нелинейной упругости. Сила тяги мышцы нарастает лишь до известного предела увеличения нагрузки, после которого дальнейший рост на­грузки уже не вызывает увеличения силы тяги мышцы.


-V Растягивание Сокращение +V

Скорость

Рис. 10. Зависимость между быстротой сокращения и напряжением мышцы (схема по Абботту и др.)

С увеличением преодолеваемой нагрузки (в известных пределах) сила тяги мышцы становится больше, но быстрота сокращения падает (рис. 10). Однако при уступающей работе, выполняе­мой с ускорением, напряжение мышцы растет. Большая сила тяги может проявится также при большом ускорении тела, имеющего малую массу. В связи с этим от выбора отягощений и режима работы мышц при подборе упражнений для воспитания сило­вых качеств¹ зависит ход развития тех или иных сторон силовой под­готовки.

К анатомическим условиям проявления тяги мышцы относятся строение мышцы и ее расположение (в данный момент движения). От строения мышцы зависит ее физиологический поперечник, кото­рый определяют по сечению, проходящему через все волокна в мышце перпендикулярно их осям. Но дело не только в суммарной силе тяги всех волокон мышцы. От расположения волокон зависит и степень нелинейности упругих свойств. Так, в мыш­цах с косым ходом волокон при малом растяжении происходит очень большое увеличение упругих сил.

Расположение мышцы относительно оси сустава и звена в данный момент движения влияет, во-первых, на величину плеча силы, а стало быть, и величину момента силы тяги. При острых (менее 45°) и тупых (более 135°) углах вращающая тяга меньше укрепляющей. Во-вторых, расположение мышцы влияет на направление тяги мышцы. Напряженная мышца стремится сблизить места прикрепления (центры их площадей) обоих своих концов. Только если брюшко или сухожилие переходит через костный выступ (блок), то направление тяги определяется прямой, соединяющей середину толщи мышцы над этим блоком с местом ее прикрепления.

Физиологические условия, определяющие величину тяги мышцы, в основном сводятся к условиям в о з б у ж.д е н и я мышцы и его изменения, в частности при утомлении. Как известно, пучок от 10 до 3000 мышечных волокон (мион) иннервируется одним нервным волокном — отростком одной двигательной нервной клетки передних рогов серого вещества спинного мозга. От количества возбужденных мионов в основном зависит сила тяги мышцы. Максимальное возбуж­дение наибольшего количества мионов обеспечивает наибольшую силу тяги мышцы.

В связи с утомлением существенно изменяется работоспособность мышцы. Это следует учитывать при биомеханическом исследовании спортивной техники.

5.2. Результат тяги мышцы

Результат приложения тяги мышцы в кинематической цепи зави­сит от: а) закрепления звеньев; б) соотношения сил, вызываю­щих движение, и сил сопротивления, в) начальных условий вра­щения.

Чтобы определить результат тяги мышцы, недостаточно установить величину и направление этой тяги. При различных условиях закрепле­ния звеньев одна и та же тяга приводит к неодинаковому результату — разным движениям звеньев в суставе. В кинематической паре может быть закреплено одно звено, или оба свободны, или оба закреплены (рис. 11). Соответственно возникнут уско­рения того или иного звена, либо обоих вместе (встречные движения), либо соединение будет фиксировано. Для двусуставной мышцы, не говоря уже о многосуставных, число возможных вариантов результата во много раз больше.

Когда одно или оба звена могут двигаться свободно, величина уско­рения зависит от вращающего момента, момента сил внешнего сопро­тивления и распределения масс звена. Иначе говоря, движение зависит от тог о, каково соотношение движущей силы и соответствующего сопротивления.

Наконец, особо важны начальные условия враще­ния — положение звеньев пары и скорость их движения (направление и величина) в момент при­ложения силы. От них за­висит эффект тяги мышцы:

ускорение движения, за­медление его или измене­ние направления, измене­ние величины и направления скорости одновременно.

В кинематических це­пях действуют те же фак­торы, определяющие результат тяги каждой мышцы. Но так как в кинематической цепи все звенья так или иначе взаимосвязаны, то в каждом конкретном случае лишь совокуп­ность всех факторов определяет, результат работы мышц в целом.

5.3. Виды и разновидности работы мыши,

В зависимости от изменения длины мышцы различают следующие виды ее работы: а) статическая (изометрический режим)— длина мышцы не изменяется, б) динамическая — мышца либо укорачивается (преодолевающая работа –миометрический режим), либо удлиняется (уступающая работа –плиометрический режим)¹.

В зависимости от сочетания трех видов работы мышцы (изменение длины) с возможными вариантами изменения ее напряжений может быть девять элементарных (типичных) разновидностей работы мышц .

При сохранении положения тела чаще встречается постоянная фиксация (постоянная длина)(разновидность 5). В движениях наиболее обычны разгон (до максимума скорости)(3) и торможение (до остановки) (7). В точных движениях характерно притормаживание (9). Силовая работа выполняется с напряжениями в движениях «до отказа» (1) и усилением фиксации (4).
При выполнении одного и того же действия могут иметь место смены (иногда неоднократные) раз­новидностей работы у одной и той же мышцы. Самая характерная смена работы — с уступающей на преодолеваю­щую. Растягиваемая мышца поглощает кинетическую энергию тормо­зимого звена, превращая ее в потенциальную энергию упругой дефор­мации и при последующем сокращении — вновь в кинетическую энергию (реверсивный режим— со сменой направления движения). .

6. ГРУППОВЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЫШЦ

Мышцы, влияющие на движения биокинематических цепей, как правило, функционируют не изолированно, а группами. Взаимодейст­вие осуществляется между мышцами внутри групп, а также между группами мышц.

6.1. Рабочие и опорные напряжения

Рабочие напряжения мышц (динамическая работа) обусловливают движения, а опорные напряжения мышц (статическая работа) создают необходимую для этого опору.

Чаще всего человек движется, сохраняя опору. При этом можно отчетливо выделить звенья, имеющие связь с общей опорой тела, т. е. опорные з в е н ь я, и движущиеся относительно опорных—подвижные звенья. Кроме того, многие звенья тела служат опорой для мышц, вызывающих движения других звеньев. Они также делятся на опорные и подвижные звенья. Опорные звенья сохраняют взаимное расположение, а иногда и связь с опорой, благодаря мышцам, развивающим опорные напряжения².В теле создается опорная цепь («стойка» механизма), как бы фундамент для подвижных звеньев. В этом случае подвижные звенья (рабочая цепь) получают закреплен­ные точки для мышц, создающих рабочие напряжения. Одна часть мышц непосредственно связана с опорными звеньями; другая — расположена между подвижными звеньями. Мышцы, разви­вающие опорные напряжения, выполняют статическую работу, а раз­вивающие рабочие напряжения—динамическую.

При движениях человека вне опоры цепи звеньев его тела нередко объединяются в блоки благодаря опорным напряжениям мыши. В этих случаях движения происходят не во всех суставах тела.

Часто в действиях спортсмена статические опорные напряжения заменяются опорными динамическими напряжениями — с малым размахом движения. Так, туловище при различных видах ходьбы или бега обычно не зафиксировано полностью: почти всегда его опорная функция осуществляется при движениях с малым размахом.

Если рабочие напряжения мышц, вызывающих движе­ния подвижных звеньев, велики, то опорные напряже­ния, закрепляющие неподвижные звенья, тоже должны быть велики. Их напряжения взаимно связаны.

6.2. Взаимодействующие группы мышц

Мышцы, окружающие сустав, при движении разделяются на функциональные группы: а) синергисты (совместного действия), выполняющие преодолевающую работу, и б) их антагонисты² (противоположного действия), выполняющие уступающую работу

Мышцы-синергисты (Si и 5з — рис. 12) тянут под углом друг к другу. Одна составляющая тяги у них направлена одинаково (движу­щая тяга) (D» и Da), а другая—противоположно (Ri и Pi). Противо­положно направленные составляющие взаимно нейтрализуются, а одинаково направленные — суммируются. По-особому участвуют в движениях мышцы-антагонисты. Нет такого движения, при котором они не растягивались бы. Будучи растянутыми, они могут вызвать движение звена тела в обратном направлении (возвратное движение).

Суставы, обеспечивающие более одной степени свободы для звеньев пары, оснащены мышцами, имеющими различные направления тяги. У всех синергистов есть составляющие тяги, направленные в сторону движения. Эти составляющие в сумме создают движущую равнодейст­вующую тягу (D₁+D₂).

Все антагонисты растягиваются при движении. Одна составляющая тяги у них направлена одинаково — против движения (тормозящая тяга — Т] -[ Та). Поскольку антагонисты (как и синергисты) тянут под углом друг к другу, то они имеют не только тормозящие, но и откло­няющие (нормальные) тяги (Рг и /?г)-

Изменение соотношения нейтрализующих друг друга (нормальных) составляющих тяги синергистов и антагонистов может изменить направление движения. При этом создается перевес суммарной откло­няющей тяги в ту или иную сторону.

Теперь рассмотрим совместное действие всех тяг, приложенных к звену. От соотношения движущей и тормозящей тяг зависят величина равнодействующей (ускоряющей или замед­ляющей) силы, ускорение звена и, следовательно, величина его скорости, а от соотношения направляющих тяг— величина силы, определяющей направление движения. Изменение направления скорости характерно для многоосных суста­вов, в которых возможно бесчисленное множество вариантов направле­ния движений. Изменение же величины скорости имеет место во всех суставах — и одноосных, и многоосных.

Моментами всех мышечных тяг относительно оси сустава (главным моментом мышц) определяются ускорения звена под действием совокупности работающих мышц. Поскольку моменты тяг изменяются, главный момент мышц непостоянен.

Совместная тяга групп мышц и действие других внешних сил для звена сил опреде­ляют в любом суставе величину скорости, а в суставах с многими степенями подвижности — еще и направление движения.

«Мышцы — главные тормоза движения»,— писал П. Ф. Лесгафт. Именно антагонисты притормаживают движущееся звено тела и останавливают его, совершая упругую амортизацию при перегрузке, пре­дохраняя от разрушения кости, хрящи, связки, суставные сумки.

Один из крупнейших русских физиологов А. А. Ухтомский обращал особое внимание на то, что в каждом неодноосном суставе заложены возможности множества механизмов (неполносвязный ме­ханизм). Совместное действие групп мышц превращает биокинема­тическую пару с неодноосным сочленением в биодинамически полно-связный механизм — с единственно возможным направлением движения, т. е. исключением всех ос­тальных.

Кроме функциональных групп мышц одного сустава (синергисты, антагонисты) существуют и другие группы совместно действующих мышц. Двусуставные мышцы ряда суставов одной кинематической цепи при движении в одном суставе обусловливают, растягиваясь и напря­гаясь, содружественное движение в соседних суставах — это так на­зываемая мышечная координация. Так, при сгибании тазобедренного сустава сгибается коленный (тяги двусуставных мышц задней поверх­ности бедра) и разгибается голеностопный (тяги мышц передней по­верхности голени) суставы.

Наконец, в замкнутых цепях можно различать группы совмест­но действующих мышц, обусловливающих благодаря передаточному действию одновременные движения в суставах замкнутой цепи.

6.3. Взаимодействие групп мышц при разных сопротивлениях

Напряжение синергистов при разных сопротивлениях изменяется соответственно изменению сопротивления, антагонисты же на­прягаются преимущественно при уменьшающемся сопротивлении (силы инерции), а также при общих больших нагрузках на сустав.

Все сопротивления движению по их величине можно разделить на постоянные, увеличивающиеся и уменьшающиеся. Примером постоянных сопротивлений служат вес, сила трения;

пример увеличивающихся сопротивлений — нара­стающие силы упругой деформации (упражнения с эспандером). В обоих случаях противодействие антагонистов при регулировании величины скорости не является необходимым. Действительно, анта­гонисты при постоянных и нарастающих сопротивлениях не включаются в работу (пока их сильно не растянут). При уменьшающихся же сопротивлениях (например, силы инерции во время разгона снаряда) антагонисты быстрее вступают в работу — приторма­живают звено и этим обеспечивают точность движения, предупреждая травму в случае предельно быстрого окончания движения.

Напряжения синергистов в этих трех случаях соответствуют со­противлениям (постоянные, нарастающие, убывающие—рис. 13, а). Время включения мышц в работу и выключения из нее зависит от кон­кретных условий движения (см. рис. 13, б).


Разгибатель

Рис. 13. Взаимодействие антагонистических пар мышц:

б — при темпах: I — медленном, // — быстром (по К. Вахгольдеру)

Роль инерционных и упругих сил при медленных и быстрых дви­жениях не одинакова. Согласование работы синергистов и антагонистов в зависимости от скорости движения существенно различается. По­этому участие мышц в медленных и быстрых движениях, даже одинаковых по форме, раз­лично.

6.4. Перераспределение напряжений мышц

Моменты включения мышцы в работу и выключения из нее опре­деляются зоной ее активности и оптимальной зоной, что приводит по ходу движения к постоянному изменению тяги мышц — пере­распределению напряжений.

Каждая мышца имеет в определенном движении свою зону актив­ности, в пределах которой она может выполнять необхо­димую для этого движения функцию. Границы этой зоны могут составлять пределы возможного размаха движения, или позы, по достижении которых мышца уже не в состоянии осуществ­лять требуемую для данного движения функцию, хотя звено еще способно продолжать движение в этом направлении. Границы зоны активности в многоосном суставе определяются сменой функций мышц в момент их наименьшей длины. Если движение звена про­должается далее этой границы, то и режим мышцы сменяется (с пре­одолевающей работы на уступающую, или наоборот).

Кроме того, у каждой мышцы есть оптимальная зона действия при опреде­ленном режиме работы. В этой зоне ее тяга в данном движении наиболее эффек­тивна. Границы опти­мальной зоны зависят от условий эффективности ра­боты мышцы — от того, как она растянута, под каким углом тянет (каково ее плечо силы).

В пределах оптималь­ной зоны различают еще акцентируемый участок,где момент силы тя­ги мышцы наиболь­ший. Местоположение этого участка зависит часто от согласования движений с движениями других звеньев.

При входе в соответствующую зону мышца обычно возбуждается, выходя из нее — выключается из активной деятельности, при этом ее напряжение изменяется. Значит, распределение напря­жений в группе мышц определенного сустава по ходу движения изменяетеcя. Нервной систе­мой вносятся необходимые уточнения, как моментов включения мышц в работу и выклю­чения из нее, так и величины напряжения (коррекции напряжения, вызванные координационным несоответст­вием тяги других мышц сустава).