Кинематические пары

В аппарате движения кости скелета функционируют не изолированно, а в тесном контакте с другими костями. С физической точки зрения следует говорить о совместном действии рычагов, имеющих подвижное сочленение. Такой простейший механизм - комбинация из двух рычагов первого, либо второго рода, называется

кинематической парой (см. рис 25).

Рис. 25 Характер относительного движения взаимодействующих рычагов (звеньев кинематической пары) определяются геометрическими особенностями сочленения. В зависимости от вида поверхности контакта звеньев сочленения принято различать цилиндрические, эллипсоидальные, шаровидные, блоковидные и другие.

Рассмотрим функционирование такой кинематической пары, в которой контакт звеньев

осуществляется по цилиндрической поверхности (см. рис. 26). На конце одного звена располагается цилиндрическое углубление а второе - содержит цилиндрическую головку. Будем считать, что звено 2 неподвижно и рассмотрим движение первого звена. Для количественного описания движения выберем систему координат, связанную с неподвижным звеном таким образом, чтобы ось Х совпадала с осью сопрягающей цилиндрической поверхности.

Совершенно очевидно, что пеpвое звено может перемещаться поступательно вдоль оси Х, а также вращаться вокруг нее. Для описания

Рис. 26 положения и перемещения каждой точки этого звена потребуются две независимые координаты: линейная Х и угловая - угол поворота Q. Количество независимых координат n, необходимых для полного описания движения, называется числом степеней свободы сочленения кинематической пары. В данном случае цилиндрическое сочленение обладает двумя степенями свободы. В процессе движения координаты не могут изменяться произвольно в любых пределах. Если в рассматриваемом случае координата Х будет неограниченно возpастать, то звенья перестанут контактировать друг с другом и кинематическая пара разрушится. То же самое можно сказать и в отношении угловой координаты Q. Следовательно, каждая координата имеет определенный предел изменения:

Х₁ < X < X₂; Q₁ < Q < Q₂

Совокупность диапазонов изменения координат по соответствующим степеням свободы определяет объем движения конкретного сочленения.

В организме очень редко используются степени свободы, допускающие линейные перемещения. Ограничения движения по этим степеням свободы достигается в результате усложнения цилиндрической поверхности, или с помощью связочного аппарата (например, в коленном суставе объема движения лимитиpуются крестообразными связками). В блоковидном сочленении контакт звеньев происходит не по цилиндрической, а по более сложной поверхности, напоминающей поверхность блока (см. pис. 27).Такое сочленение, и соотвественно сустав, допускает вращение только вокруг одной оси Х и поэтому его

Рис. 27 называют одноосевым или одноаксиальным.

Локтевой сустав может служить примером такого сочленения. Наибольшим объемом движения обладает шаровидный сустав. Как следует из его названия, контакт звеньев кинема-

тической пары происходит по сферической поверхности. Примером шаровидных сочленений служит тазобедренный, плечевой сустав.

У одного звена имеется сферическая впадина, а у другого шаровидная головка. Такое сочленение допускает вращение вокруг трех взаимо перпендикулярных осей (тpиаксиальное сочленение) (см.pис.28). Для описания объема движения в шаpовидном суставе необходимо три степени свободы (три независимые координаты) и соответственно три диапазона изменений этих углов поворота: a₁ < a < a₂

b₁ < b < b₂ n = 3

Рис. 28 g₁ < g < g₂

При движении суставных поверхностей на кости действуют силы трения Fт = k Fн, где k - коэффициент трения, Fн - сила нормально го давления к поверхности контакта. При большом коэффициенте k энергия, затраченная на преодоление силы трения, освобождается в суставе в виде тепла. Несомненно, что при энергичном движении поверхности сочленения разогревались бы до температур, при которых возможно повреждение ткани. Применение смазки (жидких сред) между поверхностями контакта позволяет уменьшить коэффициент трения в 10 - 20 раз. В процессе эволюции был создан специальный механизм снижающий трение в истинных суставах человека, на основе использования жидких сред в сочленениях кинематических пар.

На рисунке 29 приведен типичный истинный сустав. Концы обеих костей покрыты слоем хряща. Сустав окружен капсулой, а его полость заполнена синовиальной

Рис. 29 жидкостью. Хрящ напоминает губку с тонкими порами и пропитан синовиальной жидкостью, которую можно из него выжать. Губчатая структура хряща создается не замкнутыми ячейками, а чрезвычайно тонкими порами. Эти поры настолько тонкие, что синовиальная жидкость не может выдавливаться из них слишком быстро.

Силовому воздействию поверхность контакта хряща подвергаетсяна небольшом участке. Из этого участка выделяется жидкость и, прежде чем выйти в полость сустава, проходит довольно большой путь внутри хряща, параллельно его поверхности. Остальные ненагруженные участки хряща свободно впитывают синовиальную жидкость. Ни один участок хряща не может быть очень сильно "выжат". Это обеспечивается, во-первых, за счет относительно большого времени течения синовиальной жидкости в порах, а во-вторых, в результате изменения области соприкосновения внутрисуставных хрящей. К примеру, млекопитающие никогда не стоят подолгу в одной позе, а время от времени изменяют ее. За счет этого обеспечивается изменение области силового контакта в коленном суставе.

Дата добавления: 2014-01-15