Соединение звеньев тела

Строение и функции биомеханической системы двигательного аппарата

Опорно-двигательный аппарат состоит из органов опоры и движения. Твердую основу двигательного аппарата составляет его костный осевой скелет. Все кости соединяются в скелет посредством суставов. Мышцы, прикрепляющиеся к костям, обуславливают движения человека.

Таким образом, подвижно соединенные кости скелета под действием мышц обеспечивают двигательную функцию. Такая упрощенная модель тела человека называется биомеханической системой. На ней удобно изучать закономерности движения. Два костных звена, соединенные суставом, образуют биокинематическую пару. В скелете человека больше всего вращательных пар (т.е. шарнирных соединений). Винтовая пара (т.е. вращение с поступательным перемещением) имеется только в голеностопном суставе. И совсем нет поступательных пар. Несколько биокинематических пар, соединенных последовательно, образуют биокинематическую цепь. Различают замкнутые и незамкнутые биокинематические цепи. Незамкнутая - имеет свободное (конечное) звено. Здесь возможны изолированные движения в отдельно взятом звене. В замкнутых - нет свободного конечного звена. Здесь изолированные движения в одном звене не возможны, т.к. в движение неизбежно вовлекаются и другие соединения. Незамкнутая связь может перейти в замкнутую, если звено получит связь с другим звеном посредством опоры или захвата.

2. степени свободы в биокинематических цепях

Количеством степеней свободы тела называется количество независимых координат, которые определяют перемещение тела в пространстве.

Тело может передвигаться относительно трех взаимно-перпендикулярных осей поступательно и совершать вокруг них вращательные движения. Если закрепить свободное тело в одной точке, то у него останется 3 степени свободы, т.к. оно может вращаться вокруг трех осей. Если закрепить еще одну точку, то тело будет иметь только одну степень свободы - вращение вокруг оси. Если закрепить еще одну точку, то тело будет закреплено неподвижно и совсем не будет иметь степеней свободы.

В теле человека закрепление части тела в одной точке имеет шаровидный сустав. Так в плечевом суставе звено может только вращаться вокруг трех осей. В открытых (разомкнутых) биокинематических цепях степени свободы суммируются. Так, у бедра, относительно таза 3 степени свободы, у голени относительно бедра - 2 степени, значит у голени относительно таза уже 5 степеней свободы. Поэтому возможности комбинаций всех траекторий движения во всех суставах больше.

В спортивной практике ограничивают число степеней свободы для рационального движения и экономии движения. Так, например, лодка на гладкой поверхности имеет 3 степени свободы: перемещение по осям Х,У и поворот на угол a. При крене добавляется четвертая степень свободы (угол j). К четырем степеням свободы добавляются перемещения в коленном суставе, тазобедренном, плечевом, локтевом, лучезапястном, перемещение банки и 3 степени свободы у весла. Всего 13 степеней свободы. Это минимальное число степеней свободы. Максимальное - значительно больше. Для экономии энергии нужно уменьшать число степеней свободы. Для уменьшения числа степеней свободы надо выполнять только те движения, которые вызовут прямолинейные поступательные движения лодки вдоль дистанции.

3. ЗВЕНЬЯ тела как рычаги и маятники

Кости, соединенные подвижно в суставах, представляют собой, с точки зрения механики, рычаги. Сустав представляет собой точку опоры рычага. Если силы приложены по обе стороны от точки опоры рычага, то рычаг называется двухплечным или рычагом I рода, если по одну сторону, то II рода.

Рычаг имеет следующие элементы:

- точку опоры О;

- точку приложения сил;

- плечи рычага; - плечи сил.

Мерой действия сил на рычаг является момент относительно точки опоры, т.е. произведение величины силы на ее плечо:

M(F) = F * d

Плечо сил измеряется длинной перпендикуляра, опущенного из точки опоры рычага на линию действия сил. 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. В противном случае приобретается отрицательное ускорение и звено тормозится. Если мышцы сокращаются, то это движение преодолевающее. Если мышцы выполняют отрицательную работу и тормозят движение, то мышцы растягиваются и движение называется уступающим.

Если сила приложена под острым или тупым углом к рычагу, ее можно разложить на тангенциальную (касательную) F1 и нормальную Fn составляющие. Тангенциальная вращает рычаг и ее называют вращательной, а нормальная прижимает кости друг к другу и ее называют укрепляющей. Мышцы прикреплены вблизи сустава. В связи с этим, мышцы, действующие на костные рычаги, дают выигрыш в скорости и проигрыш в силе (т.к. плечо мало).

Звено, движущееся по инерции, имеет сходство с физическим маятником с периодом качаний

где J - момент инерции маятника относительно оси, проходящей через точку подвеса; m - масса; r - расстояние между точкой подвеса и центром масс; g - ускорение свободно падающего тела. Ускорение звена Е как маятника зависит от приложенного момента силы:

и момента инерции маятника

где Rнн - радиус инерции.

Биомеханическую систему человека в целом можно представить как систему соединенных между собой рычагов, которые являются еще и маятниками (прямыми или обратно перевернутыми) поэтому в каждом движении (шаге) моменты мышечных сил необходимо приспосабливать к переменным механическим условиям, чтобы обеспечить относительное постоянство движения тела.

Дата добавления: 2015-05-09