Система органов опоры и движения человека

Биомеханика

Название включает в себя греческие слова bios — жизнь и mexane — механизм, рычаг. В отличие от традиционной механики, в которой рассматривается движение и взаимодействие предметов, биомеханика это наука, которая изучает и анализирует многогранные и разносторонние движения живых существ. В фитнесе, да и во всех видах спорта, особенно подвижных, биомеханика рассматривается и используется, как базовая наука и имеет большое значение.

Всем известно, что изменение формы организма или его части, а также способности к передвижению осуществляет специализированная мышечная ткань, которая состоит из скелетных (поперечнополостных), гладких и сердечной мышц. Сущность мышечного сокращения заключается не только в передвижении, но и в том, что в сокращающихся элементах наиболее продуктивно преобразуется химическая энергия в механическую работу. Мышцы, сокращаясь под управлением центральной нервной системы, оказывают формообразующее влияние не только на кости, связки, суставы, но и на сердечно-сосудистую систему и внутренние органы, вызывая усиление обмена веществ. Многообразные жизненные процессы в клетках, работа всех систем организма – всё это различные формы движения.

Движения человека, какую бы задачу они не решали, в конечном итоге осуществляются мышцами. Мышцы вместе с костным скелетом выполняют функцию машины, и это дало основание И. М. Сеченову вслед за Леонардо да Винчи высказать мысль, что механические движения могут быть подвергнуты математическому анализу и выражены формулой. Первые попытки в этом направлении, предпринятые Брауне, Фишером, братьями Вебер, были блестяще продолжены Н. А. Бернштейном. /5/

Итак, мышцы выполняют функцию машины, причем это единственная в мире машина, где химическая энергия, выделяющаяся за счет органических белковых соединений, непосредственно преобразуется в механическую без промежуточного образования тепла. Конечно, живую машину (выражение, которым широко пользовались Сеченов, Павлов, Ухтомский, Амар, Хилл, Шеррингтон и многие другие) следует представлять себе не в качестве механического агрегата с постоянными раз и навсегда установленными рабочими константами, а в качестве системного образования, выполняющего многообразные рабочие функции. Следует добавить, что живая машина отличается от своего механического аналога ещё и тем, что меняет свои рабочие константы в зависимости от ситуации и внешнего воздействия и способна накапливать и анализировать опыт, связывающий её прошлое, настоящее и будущее. /5/

В сложном процессе движения принимают участие не только мышцы, но и все органы человека, хотя прямыми исполнителями движений являются кости, суставы, мышцы с нервными и сосудистыми связями. С механической точки зрения двигательный аппарат совмещает в себе двигатель как преобразователь энергии и рабочую машину. Изучение двигательного аппарата как рабочей машины является частью биомеханики. Биомеханика – наука, которая изучает движения, выполненные опорно-двигательным аппаратом, с точки зрения приложения законов механики, устанавливает прочность и механические свойства различных тканей с учётом анатомо-физиологических особенностей. Биомеханика позволяет установить условия, при которых наиболее эффективно выполняется полезная работа в процессе сокращения мышечных групп.

Поперечнополостные (скелетные) мышечные волокна имеют длину от 150 мкм до 12 см. Мышцы после рождения человека развиваются усиленно и у мужчин составляют 36 % массы тела, у женщин – 32%. У тренированных лиц масса мышечной ткани может достигнуть 50% массы тела. Мышца растёт за счёт утолщения мышечных волокон. У новорождённых диаметр волокна 7 – 8 мкм, в 2 года – 10 – 14 мкм, в 5лет – 15 –20 мкм, у взрослого – 10 – 100 мкм. Работающая мышца увеличивается в диаметре быстро. Каждое волокно содержит миофибриллы толщиной 1 – 2 мкм, которые состоят из протофибрилл диаметром 20 нм, отвечающих за сократительную деятельность. Миофибриллы заключены в малодифференцированную саркоплазму, содержащую ядерно-протоплазматические образования. В зависимости от количества миофибрилл и саркоплазмы выделяют белые и красные мышечные волокна. В белых волокнах относительно меньше саркоплазмы и больше миофибрилл, чем в красных волокнах. Их функциональная особенность заключается в том, что быстрее, но с меньшей силой сокращаются белые волокна – языка, мимических мышц и др. Красные волокна сокращаются медленнее, но развивают большую силу.

Различие в строении мышц объясняется тем, что филогенетически они развивались так, как это требовало их анатомическое положение. Так, мышцы перистого строения приспособлены к развитию напряжения большой силы, а мышцы с параллельными и веретенообразными волокнами- к более быстрым, ловким и размашистым движениям (П. Ф. Лесгафт). /14/

Мышцы имеют нервы, как чувствительные, так и двигательные. Мышцы в зависимости от точности и скорости выполняемых движений имеют различную количественную двигательную иннервацию. Например, в глазных мышцах одно нервное волокно иннервирует примерно 19 мышечных волокон, в икроножной мышце – 227, а в задней большеберцовой мышце – 430. Каждое мышечное волокно окружено сарколеммой (оболочкой), представляющий опорный аппарат волокна. При сокращении мышечных волокон смещается сарколемма, находящаяся в связи с соединительными оболочками мышечных пучков, которые напрягают сухожилие и вызывают движение в суставах. Коэффициент полезного действия (КПД) скелетных мышц равен 50%, а КПД двигательного аппарата человека составляет менее КПД двигателя внутреннего сгорания, равного 35%. Чтобы правильно представить механизм сокращения мышечного волокна, необходимо знать химический состав мышечной ткани. В формировании мышечных волокон принимают участие растворимые и нерастворимые в воде белки. Относительная плотность мышцы 1,04 – 1,06. Растворимые белки составляют структуру саркоплазмы, состоящей из ферментов гликолиза и миоглобина. Нерастворимые белки актин и миозин участвуют в построении саркомеров миофибрилл. Считается, что процесс сокращения заключается в сближении нитей актина, которые проскальзывают в пространство между волокнами миозина.

Поперечнополостные мышечные волокна объединены с помощью соединительных оболочек в отдельные мышцы. Эти оболочки непосредственно участвуют в формировании сухожилия. Каждая мышца имеет на конце начало и конец (прикрепление). Сухожилие представлено прочными соединительно-тканевыми волокнами, которые соединены с мышцей и костью. При травмах сухожилие не рвётся, а происходит его отрыв от мышцы или кости; например сухожилие четырёхглавой мышцы выдерживает нагрузку до 600 кг.

По форме мышцы разделяются на длинные, короткие и широкие. У человека есть мышцы квадратной, ромбовидной, треугольной, пирамидальной, зубчатой и других форм.

По отношению к суставам они разделяются на односуставные, двусуставные и многосуставные. Все мышцы разделяются по функции на сгибатели, разгибатели, отводящие, приводящие, пронаторы, супинаторы, сжиматели.

Кровоснабжение мышечных волокон обильное.

В расслабленной мышце большее число капилляров не функционирует и кровь поступает по единичным капиллярам. Кровоснабжение работающей мышцы увеличивается в 30 раз Сухожилия снабжаются кровью значительно меньше, чем мышечные волокна. В мышцах богато представлена и лимфатическая система.

К вспомогательным аппаратам мышц относятся фасции, межмышечные перегородки, синовиальные влагалища и сумки, фиброзные каналы, сесамовидные кости и блоки.

Мышцы человека делятся на группы, противоположные по своему действию, и являются парными, за некоторым исключением. Во всех частях тела мышцы расположены так, что сокращение одной мышцы смещает точку прикрепления другой мышцы, т.е. подготавливает большой угол подхода сухожилия к кости. Это значительно повышает силу мышцы с наименьшей затратой энергии и силы сокращения. Таким образом, благодаря слойному расположению мышц при сравнительно малой величине мышечной ткани человек может выполнять значительную работу.

Работу двигательного аппарата человека обычно излагают с позиций общих законов механики, вполне применимых для оценки системы опорно-двигательного аппарата как системы рычагов. Рычагом называется всякое твёрдое тело, способное совершать вращательные движения около оси, на плече которого Действует две противоположные силы: движущая сила (мышечные сокращения) и сила сопротивления. В зависимости от величины движущей силы и силы сопротивления возможно равновесие или движение рычага.

Плечом рычага называют расстояние оси вращения до точки приложения силы. Плечом силы называют кратчайшее расстояние – перпендикуляр от оси вращения до вектора силы или его продолжения. Участие каждой мышцы в выполнении движений зависит не только от величины подъёмной силы, но также и от величины плеча рычага, что определяется моментом силы. Моментом силы называется произведение силы на её плечо. Таким образом, условие для равновесия рычага достигается тогда, когда сумма моментов сил, действующих на него, относительно оси вращения равна нулю. Если равенство моментов сил нарушается, то рычаг начинает вращаться в направлении той силы, момент которой больше. Момент силы является непостоянной величиной, обусловленной положением одних костей по отношению к другим, образующим данное сочленение.

С позиции биомеханики работа мышцы определяется в том случае, когда она производит перемещение части тела или тяжести на какое-либо расстояние. В действительности мышца выполняет работу, начиная с малейшего её напряжения. Мышечная работа разделяется на статическую и динамическую.

При статической работе часть мышц, напрягаясь, стремиться уравновесить момент силы тяжести или силу сопротивления, что наблюдается при выравнивании или сохранении положения тела или его частей. При этом мышца не укорачивается, не удлиняется, а только напрягается. Статическая работа мышц необходима для сохранения вертикального положения тела или определённой позы. Выделяют три вида статической работы мышц: удерживающую, укрепляющую и фиксирующую.

При динамической работе движение в суставах происходит в результате несоответствия мышечных и механических сил. Динамическая работа мышц подразделяется на преодолевающую и уступающую. Этот вид работы мышц является важным и необходимым для обеспечения плавности и эластичности движений. Если бы не было этого регулятора, движения были бы толчкообразными и малокоординированными. Таким образом, в каждом виде движений на первый план выступает тот или другой вид мышечной работы

.
Мышцы также подразделяют на антагонисты и синергисты. К антагонистам относятся все мышцы, которые по своей функции действуют в сторону противоположную другой группе мышц. Например, мышцы сгибатели плеча являются антагонистами разгибателей плеча. К синергистам относятся все мышцы, которые, сокращаясь, одновременно действуют на сустав, находясь по одну сторону его оси. Примером могут служить сгибатели предплечья и плеча, вызывающие сгибание в локтевом суставе. Функции антагонистов и синергистов могут чередоваться. При сокращении мышцы возникает активная двигательная сила.

Мышечная сила характеризуется степенью сокращения мышцы, способной при возбуждении удержать в этом состоянии груз до 4 – 6 кг на 1 квадратный см поперечника мышцы. Величина силы зависит от исходной длины мышечных волокон. Активная мышечная сила больше всего развивается в мышцах, построенных из длинных волокон (широкие и веретенообразные мышцы). Мышца может сократиться на 50 – 57 % первоначальной её длины, но ввиду ограничения степеней свободы суставов она сокращается, как правило, на 35 %.

Активная мышечная сила группы мышц (синергистов и антагонистов) складывается из суммы подъёмной силы каждой мышцы, а точка приложения этой силы располагается между местами прикрепления всех длинных мышц. Однако у человека только единичные мышцы занимают параллельное друг другу положение. Большей частью их равнодействующие находятся под определённым углом, образуя параллелограммы сил. Располагаясь под углом друг к другу, мышцы тянут кость в различных направлениях. В этом случае движение кости совершается не по равнодействующей одной или второй мышцы, а по диагонали параллелограмма, построенного сокращающимися мышцами. Параллелограммы сил могут формироваться и целыми мышечными группами.

Опорой для позвоночного столба служат кости тазового пояса, которые могут выдержать силу давления до 2000 кг. От этих костей нагрузка передаётся через тазобедренные суставы на нижние конечности – бедренные кости, от них через коленный сустав – на большеберцовые кости и далее через голеностопный сустав – на стопу. Большеберцовые кости выдерживают силу на сжатие до 1600 кг. Стопа, как и позвоночник, является опорным и рессорным аппаратом человека. Благодаря сводчатому строению стопа может пружинить.

Таким образом, единство двигательной системы достигается функциональным объединением кости, сухожилия, мышцы, сосудов и нервных рецепторов в целостную систему. Сокращение мышцы возможно только в случае постоянного поступления дозированных нервных импульсов из центральной нервной системы в определённой последовательности, возникающих под влиянием раздражителей внешней среды. Активная деятельность мышечной системы оказывает не только формирующее влияние на мышцы, но и приводит к перестройке костной ткани и соединений костей. Через нервную систему внешняя среда воздействует на двигательную систему, которая, перестраиваясь, влияет на внешние формы человеческого организма и его внутреннюю структуру. Поэтому правильно дозированный физический труд и упражнения оказывают гармоничное влияние на развитие человека.
Не трудно заметить, что не все мышцы тренирующегося развиты одинаково. В первую очередь они преимущественно тренируют те мышцы, сила которых способствует достижению высоких результатов в конкретном виде спорта. Так например, пауэрлифтерам в первую очередь нужны сильные мышцы ног, спины и плечевого пояса. Чтобы развить силу определенной мышцы или группы мышц, необходимо увеличить мышечную массу. Но в зависимости от метода её развития мышца может проявлять силовые, скоростные или скоростно-силовые способности. Поэтому при увеличении мышечной массы небезразлично, с помощью каких физических упражнений она развивалась. / 13/

Не надо забывать, что нет такого упражнения, которое могло бы дать одинаковую нагрузку всем мышцам одновременно. А ведь без максимальной нагрузки, как теперь известно, мышца не может интенсивно развиваться.

Дата добавления: 2015-05-09