биомеханика. Лекция Тема 3 Биомеханика опорнодвигательного аппарата человека
 Скачать 255.75 Kb.
|
|
Центр тяжести – точка, к которой приложена равнодействующая сил тяжести всех частей тела. ЦМ и ЦТ могут не совпадать. Индивидуальные особенности человека, и в первую очередь масса и длина тела, влияют на геометрию масс. В. Н. Селуянов вывел эмпирическую формулу с помощью которой можно определить массы сегментов тела:  где mх — масса одного из сегментов тела (кг), например стопы, голени, бедра и т. д.; m —масса всего тела (кг); H —длина тела (см); В0, В1, В2— коэффициенты регрессионного уравнения, они различны для разных сегментов (табл. 4). Таблица 4 Коэффициенты уравнения для вычисления массы сегментов тела по массе (т) и длине (Н) тела:
Примечание. Величины коэффициентов округлены и верны для взрослого мужчины. Для того чтобы уяснить, как пользоваться таблицей 1 и другими подобными таблицами, вычислим, например, массу кисти человека, у которого масса тела равна 60 кг, а длина тела 170 см. m (кисти) = - 0,12 + 0,004х60+0,002х170 = 0,46 кг. 4. Звенья тела как рычаги. Биомеханические звенья представляют собой своеобразные рычаги. Рычажное устройство двигательного аппарата дает человеку возможность выполнять дальние броски, сильные удары и т. п. Устройство рычага: 1- точка опоры; 2 – точка приложения сил; 3. – плечи сил (расстояния от точки опоры до линий действия сил); 4. – плечо рычага (кратчайшее расстояние от точки опоры до точки приложения сил) на данном рисунке плечи рычага совпадают с плечами сил, так как силы расположены под прямым углом к оси рычага.  Рис. 12. Устройство рычага.  Рычаги бывают первого рода (когда силы приложены по разные стороны от точки опоры) и второго рода (если силы приложены по одну сторону от точки опоры рычага). Пример рычага второго рода представлен на рис. 13, А: гравитационная сила (F1) и противодействующая ей сила мышечной тяги (F2) приложены по одну сторону от точки опоры, находящейся в данном случае в локтевом суставе. Подобных рычагов в теле человека большинство. Но есть и рычаги первого рода, например голова (рис. 13, Б) и таз в основной стойке.  Рис. 13. Примеры рычагов тела человека: А – предплечье-рычаг второго рода; Б – голова-рычаг первого рода. Рычаг находится в равновесии, если равны моменты приложенных сил (см. рис. 13,А):  F2 —сила тяги двуглавой мышцы плеча; l2 — плечо рычага, равное расстоянию от места прикрепления сухожилия до оси вращения; α — угол между направлением действия силы и перпендикуляром к продольной оси предплечья. Мерой действия сил на рычаг - момент относительно точки опоры, т.е. произведение величины силы на ее плечо: М =  d, d – плечо силы, длинной перпендикуляра, опущенного из точки опоры рычага на линию действия сил.Например, зная массу ядра, длину плеч рычага, угол образованный вертикальной составляющей вектора силы и осью рычага можно определить какое мышечное усилие необходимо развить, чтобы удержать ядро (Рис.14).    Рис. 14. Пример рычага второго рода. M1=M2 M1=R1mg M2=R2F2cos  R1mg = R2F2cos F2=  Допустим масса ядра m= 5 кг, g=9,8 м/с  , R1=0,4 м, R2 = 0,04 м, = 30 , cos30 =  0,7, тогда:F2=  НТаким образом, для того чтобы удержать ядро.массой в 5 кг, бицепсу необходимо развить усилие равное приблизительно семидесяти килограммам. Для равновесия рычага необходимо чтобы противоположно направленные моменты сил относительно оси рычага были равны. Если момент движущихся сил преобладает над моментом тормозящих сил, то звено приобретает положительное ускорение. Если момент движущихся сил меньше момента тормозящих сил, то звено приобретает отрицательное ускорение и звено тормозится. 5. Звенья тела как маятники. Руки и ноги человека могут совершать колебательные движения. Это делает наши конечности похожими на маятники. Делая частоту шагов или гребков при ходьбе, беге, плавании и т. п. резонансной (т. е. близкой к собственной частоте колебаний руки или ноги), удается минимизировать затраты энергии, человек демонстрирует существенно повышенную физическую работоспособность. Это объясняется тем, что колебательные движения верхних и нижних конечностей сопровождаются рекуперацией механической энергии (от лат. recuperatio — получение вновь или повторное использование). Простейшая форма рекуперации — переход потенциальной энергии в кинетическую, затем снова в потенциальную и т. д. (рис.  Рис.15. Один из вариантов рекуперации энергии при циклических движениях: потенциальная энергия тела (сплошная линия) переходит в кинетическую (пунктир), которая вновь преобразуется в потенциальную и способствует переходу тела гимнаста в верхнее положение; цифры на графике соответствуют пронумерованным позам спортсмена. Наименьшие затраты энергии на перемещение конечностей имеют место, когда выполняется движение в резонансе, т.е. когда вынужденная частота колебаний близка к собственной частоте колебаний руки или ноги. При резонансной частоте движений такие преобразования осуществляются с минимальными потерями энергии. Это означает, что метаболическая энергия, однажды созданная в мышечных клетках и перешедшая в форму механической энергии, используется многократно — и в этом цикле движений, и в последующих. А если так, то потребность в притоке метаболической энергии уменьшается. Выработанную вновь энергию мышца накапливает. И каждый новый цикл происходит на более высоком уровне энергии. Увеличение энергии ведет к повышению скорости. На цикл затрачивается меньше времени, растёт темп. Например, в беге увеличивается скорость продвижения по дорожке. В разбеге благодаря резонансному накоплению энергии повышается мощность. Резонансные колебания способствуют концентрации энергии, являются эффективным способом сохранения и накопления энергии. Это полезно учитывать не только при тренировке спортсменов, но и при проведении физкультурных занятий в школах и группах здоровья. Наименьшие затраты энергии на перемещение конечностей имеют место, когда частота движений на 20— 30% больше частоты собственных колебаний руки или ноги:  где (g=9,8 м/с2; l — длина маятника, равная расстоянию от точки подвеса до центра масс руки или ноги.) Эти 20—30% объясняются тем, что нога не является однозвенным цилиндром, а состоит из трех сегментов (бедра, голени и стопы). 6. Механические свойства костей и суставов. Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями - кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Различают четыре вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение. При растягивающей продольной силе кость выдерживает напряжение 150 Н/мм2. Это в 30 раз больше, чем давление, разрушающее кирпич. Установлено, что прочность кости на растяжение выше, чем у дуба, и почти равна прочности чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Так, самая массивная кость— большеберцовая выдерживает вес 27 человек. Предельная сила сжатия составляет 16000— 18000 Н. При изгибе кости человека также выдерживают значительные нагрузки. Например, силы 12000 Н (1,2 т) недостаточно, чтобы сломать бедренную кость. Подобный вид деформации широко встречается и в повседневной жизни, и в спортивной практике. Например, сегменты верхней конечности деформируются на изгиб при удержании положения “крест” в висе на кольцах. При движениях кости не только растягиваются, сжимаются и изгибаются, но также и скручиваются. Например, при ходьбе человека моменты скручивающих сил могут достичь 15 Нм. Эта величина в несколько раз меньше предела прочности костей. Действительно, для разрушения, например, большеберцовой кости момент скручивающей силы должен достичь 30—140 Нм. Особенно велики допустимые механические нагрузки у спортсменов, потому что регулярные тренировки приводят к рабочей гипертрофии костей. Известно, что у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у футболистов — внешняя часть кости плюсны, у теннисистов — кости предплечья и т. д. Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую, как в капсуле, хранит суставная сумка. Синовиальная жидкость обеспечивает уменьшение коэффициента трения в суставе примерно в 20 раз. Поразителен характер действия “выжимающейся” смазки, которая при снижении нагрузки на сустав поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении нагрузки выжимается для смачивания поверхности сустава и уменьшения коэффициента трения. Силыдействующие на коленный сустав при массе тела 90 кг во время ходьбы достигают 7000 Н, при беге – 20000 Н. Но прочность суставов, как и прочность костей, не беспредельна. Так, давление в суставном хряще не должно превышать 350 Н/см2. При более высоком давлении прекращается смазка суставного хряща и увеличивается опасность его механического стирания. Это нужно учитывать в особенности при проведении туристических походов (когда человек несет тяжелый груз) и при организации оздоровительных занятий с людьми среднего и пожилого возраста. Ведь известно, что с возрастом смазывание суставной сумки становится менее обильным. 7. Биомеханика мышц. Скелетные мышцы являются основным источником механической энергии человеческого тела. Их можно сравнить с двигателем. К биомеханическим свойствам мышц принято относить сократимость, а также упругость, жесткость, прочность и релаксацию. Для рассказа о механических свойствах мышцы воспользуемся трехкомпонентной моделью (рис. 16).  Рис. 16. Трехкомпонентная модель мышцы: 1- параллельный упругий компонент; 2 - сократительный компонент; 3 – последовательный упругий компонент (по В.М. Зациорскому). В этой модели соединительнотканные образования (параллельный упругий компонент) имеет механический аналог и представлены в виде пружины (1) их образуют оболочки мышечных волокон и их пучков, сарколемма и фасции. Сократимость — это способность мышцы сокращаться при возбуждении. В результате сокращения происходит укорочение мышцы и возникает сила тяги. При сокращении мышцы образуются поперечные актино-миозиновые мостики, от числа которых зависит сила сокращения мышцы. Актино-миозиновые мостики сократительного компонента изображаются на модели в виде цилиндра, в котором движется поршень (2). Механизм мышечного сокращения Нервный импульс в виде волны деполяризации проходит по веточке аксона до синапса. Находящиеся в нем пузырьки ацетилхолина выбрасываются в синоптическую щель. Дойдя до постсинаптической мембраны ацетилхолин деполяризует её, вызывая деполяризацию оболочки иннервируемого мышечного волокна. Ионы кальция выходят из саркоплазматического ретикулюма и подходят к сократительному аппарату. Под влиянием ферментных свойств миозина образуются актомиозиновые мостики, происходит втягивание тонких нитей между толстыми т. е. сокращение. Расслабление мышечного волокна происходит благодаря устранению ионов кальция из миофибрилл при помощи работы специального кальциевого насоса, который пускается в ход автоматически при увеличении концентрации кальция вне полостей саркоплазматического ретикулюма. Насос перекачивает кальций из миофибрилл в ретикулюм, ферментные свойства миозина инактивируются, поставка энергии прекращается, волокно расслабляется. Аналогом последовательного упругого компонента является пружина (3), последовательно соединенная с цилиндром. Она моделирует сухожилие и те миофибриллы (сократительные нити, составляющие мышцу), которые в данный момент не участвуют в сокращении. Модель отображает упругие свойства мышцы, т. е. ее способность восстанавливать первоначальную длину после устранения деформирующей силы. Существование упругих свойств объясняется тем, что при растягивании в мышце возникает энергия упругой деформации. Здесь мышцу можно сравнить с пружиной или с резиновым жгутом: чем сильнее растянута пружина, тем большая энергия в ней запасена. Это явление широко используется в спортивной практике. Например, в хлесте предварительное растягивание мышц приводит к растягиванию и параллельного, и последовательного упругого компонента. В них запасается энергия упругой деформации, которая в финальной части движения (метания, толкания и т. д.) преобразуется в энергию движения (кинетическую энергию). Однако по закону Гука для мышцы ее удлинение нелинейно зависит от величины растягивающей силы (рис. 17). Английский ученый Роберт Гук экспериментально установил следующий закон.  Рис. 17. Связь между силой тяги и длиной мышцы. Эта кривая (ее называют “сила — длина”) является одной из характеристических зависимостей, описывающих закономерности мышечного сокращения. Другую характеристическую зависимость “сила — скорость” называют в честь изучавшего ее известного английского физиолога кривой Хилла (рис. 17) (Так принято сегодня называть эту важную зависимость. А. Хилл изучал только преодолевающие движения (правую часть графика на рис. 17). Взаимосвязь между силой и скоростью при уступающих движениях впервые исследовал Abbot). По характеристическим кривым определяют жесткость и прочность мышцы. Жесткость — это способность противодействовать прикладываемым силам. Коэффициент жесткости определяется как отношение приращения восстанавливающей силы к приращению длины мышцы под действием внешней силы:  Величина, обратная жесткости, называется податливостью мышцы. Коэффициент податливости:  (м/Н) — показывает, насколько удлинится мышца при изменении внешней силы на единицу. Например, податливость сгибателя предплечья близка к 1 мм/Н. | ||||||||||||