Взаємовідношення м’язів і кісткових важелів.

Роботу рухового апарату людини зазвичай викладають з позицій загальних законів механіки, цілком можна застосувати для оцінки системи опорно-рухового апарату як системи важелів. Важелем називається всяке тверде тіло, здатне здійснювати обертальні рухи біля осі, на плечі якого діють дві протилежні сили: рушійна сила (м’язові скорочення) і сила опору. В залежності від величини рушійної сили і сили опору можливо рівновагу або рух важеля. Для розуміння рівноваги або руху важеля необхідно мати певне уявлення про плечі важеля і про момент обертання сили.

Участь кожного м’яза у виконанні рухів залежить не тільки від величини підйомної сили, але також і від величини плеча важеля, що визначається моментом сили. Моментом сили називається добуток сили на її плече. Моментом сили FI буде твір FI · OAI, або FI · Sin OA; моментом сили FII буде FII · OБI або FII · SinОБ. Таким чином, умова для рівноваги важеля досягається тоді, коли сума моментів сил, що діють на нього, відносно осі обертання дорівнює нулю. Якщо рівність моментів сил порушується, то важіль починає обертатися в напрямку тієї сили, момент якої більше. Момент сили є непостійною величиною, обумовленої положенням одних кісток по відношенню до інших, утворюючим дане зчленування. Тому при згинанні в суглобі наростатиме плече важеля згиначів і відповідно момент сили, тобто збільшується кут підходу сухожилля до м’яза, що сприяє підвищенню підйомної сили м’яза. У більшій частині випадків м’язи прикріплюються поблизу суглобів і підходять до кісток під гострим кутом. При цьому плече сили менше плеча опору; при подібному прикріпленні м’язи програють в силі.
У опорно-рухової системі є утворення, що сприяють збільшенню плеча сили м’язів, завдяки чому значно підвищується момент сили. До цих утворень відносяться сесамоподібні кістки, блоки, кісткові відростки і горби, різноманітні виступи і шорсткості. За рахунок цих утворень значно зростає момент сили м’язів. Отже, сила м’яза залежить не тільки від кількості м’язових волокон, але і від плеча важеля.
Види важелів. В залежності від розташування рушійної сили (м’язове скорочення) і сили опору щодо осі обертання розрізняють важелі першого, другого та третього роду.
Важіль першого роду є двуплечим. Обидві сили мають однаковий напрямок, а між ними знаходиться вісь обертання даного важеля . Важіль першого роду називають також важелем рівноваги. Наприклад, атлантозатилочного зчленування і тазостегновий суглоб представляють осі обертання важелів першого роду, по боках від яких розташовуються плечі важелів.

Важіль другого роду – одноплечий важіль, так як прикладання сил мають протилежні напрямки. Рушійна сила надає дію на довге плече ричачи га, а сила опору – на коротке плече. Наприклад, в гомілковостопному суглобі одна сила діє вгору, інша – вниз. Тиск, який виникає в осі обертання важеля, відповідає різниці діючих сил. Дія м’язи в конструктивній особливості важеля другого роду спрямовано на виконання рухів, що вимагають великої м’язової сили, тому важіль другого роду називають також важелем сили.
Важіль третього роду хоча і є одноплечий важіль, але його відмінність від важеля другого роду полягає в тому, що сила діє на коротке плече, а плече опору – на довге. Важіль третього роду можна назвати важелем швидкості. Наприклад, при виконанні згинання в ліктьовому суглобі довге плече сили – передпліччя – здійснює більший розмах рухів, ніж коротке плече сили, що йде від променевої горбистості до ліктьового суглоба. Таким чином, при дії на коротке плече м’яз виграє у швидкості і відстані і програє в силі.
У процесі побудови рухів у людини постійно спостерігаються різні біомеханічні особливості в зміні, поділі та об’єднанні різних важелів, що необхідно для виконання рухів з найбільшою економією енергії.
Кінематичні ланцюги та ступеня свободи. Розглянута вище система кісткових важелів першого, другого та третього роду представляє робочу систему в механічному значенні тільки за певних умов. Одним з цих умов є відкриті та закриті кінематичні ланцюги і ступені свободи. У замкнутій системі кінематичного ланцюга обидва кінці якої частини тіла закріплені (ребра, закріплені передніми і задніми кінцями, або нижні кінцівки при стоянні).
При виконанні рухів завжди втягуються ланцюга ланок рухового апарату, які закріплені на одному кінці (рука, прикріплена одним кінцем до лопатки) і являють відкриту кінематичний ланцюг.
п’ять ступенів свободи тіла.

У відкритій системі кінематичного ланцюга обсяг рухів кінцевого відділу частини тіла визначається шляхом додавання суми ступенів свободи всіх проміжних ланок, складових цю частину тіла. Не обмежена у свободі перемещающееся тіло володіє шістьма ступенями свободи у вигляді поступального руху в трьох вимірах (вгору вниз, вперед-назад, вправо-вліво) і обертальних рухів в тих же вимірах. При скріпленні однієї ланки тіла відносно іншого обмежуються ступені свободи. При аналізі можливих рухів двох твердих тіл (наприклад, в кулястої суглобі), дотичних в одній точці, видно, що тіла здатні переміститися взаємно в п’яти напрямках і зберегти п’ять ступенів свободи (рис. 162). Ці п’ять ступенів свободи можливі в суглобі тільки теоретично, а фактично рухливість в суглобах має тільки три ступені свободи. Це обмеження створюють капсули, зв’язки і м’язи, що оточують суглоб. Трьома ступенями свободи володіють кулясті суглоби, двома – еліпсоїдні, сідлоподібні і мищелковідние (колінний суглоб), однієї – циліндричні і блоковидного. Вільна верхня кінцівка представляє відкриту кінематичний ланцюг. Плечовий суглоб володіє трьома ступенями свободи, ліктьовий суглоб – однієї, суглоби між кістками передпліччя – однієї, променевозап’ястний суглоб – двома ступенями свободи. Таким чином, кисть здатна щодо тулуба здійснювати переміщення за 7 ступенях свободи в межах радіусу всій верхньої кінцівки, маючи повну свободу рухів.
Якщо зіставити з’єднання в суглобах з сполуками частин технічної машини, то виявляються істотні відмінності. У машини руху одноманітно і володіють тільки одним ступенем свободи.
Як зазначалося вище, рухи у людини складаються в кінематичні ланцюги і практично не здійснюються суглобом з одним ступенем свободи, тому руховий апарат людини не є робочою машиною. Він стає нею тільки тоді, коли завдяки напрузі м’язів виключаються і гальмуються руху, при яких як би додатково виникають «замикаючі» суглоб механізми. Тонус м’язів і його чергування направляють рухи в суглобах, тим самим «… усуваються всі свободи переміщення, за винятком однієї ». Отже, за рахунок перерозподілу роботи м’язів і їх тонусу можлива побудова багатьох механізмів з різним числом ступенів свободи.
Пара сил. Вище говорилося, що для здійснення обертального руху необхідна пара сил, яка складається з сил скорочується м’язи і сили тиску чи опору, що виникає від тертя однієї кістки про суглобову поверхню іншого. На прикладі згинання в ліктьовому суглобі видно, що сила тяги двоголового м’яза може бути розкладена на складові: АБ – момент сили і АГ – силу тиску кісток передпліччя на плечову кістку. Сила, яка поширюється по діагоналі АВ, представляє тиск, вироблене уздовж плечової кістки, якому протидіє сила тиску ДЖ, розкладена на ДЕ і ДЗ. Момент сили АБ разом з силою ДЖ являє пару сил, що виконують згинання в ліктьовому суглобі. Якби сила тиску була відсутня, а це можливо за відсутності осі обертання, то замість згинання в ліктьовому суглобі відбулося б підтягування передпліччя. Знаючи умови, при яких змінюється плече сили тяги м’язів, і механічні умови прояву м’язової сили, легко зрозуміти, яким чином в процесі побудови рухів відбувається втрата або збільшення м’язової сили.
схема дії пари сил

Види м’язової роботи. З позицій біомеханіки робота м’яза визначається в тому випадку, коли вона виробляє переміщення частини тіла або тяжкості на яке-небудь відстань. В дійсності м’яз виконує роботу, починаючи з найменшого її напруги.
М’язова робота поділяється на статичну і динамічну.
При статичній роботі частина м’язів, напружуючись, прагне врівноважити момент сили тяжіння або сили опору, що спостерігається при вирівнюванні або збереженні положення тіла або його частин. При цьому м’яз не коротшає, не подовжується, а тільки напружується. Статична робота м’язів необхідна для збереження вертикального положення тіла або певної пози. Виділяють три види статичної роботи м’язів: утримуючу, зміцнюючу і фіксуючу. При утримуючою роботі м’язи діють своїм моментом тяги, що виникає при скороченні, проти моменту сили тяжіння. При зміцнюючою роботі напруга м’язів чинить опір розриву. При фіксуючою роботі скорочення м’язів-антагоністів надає фіксуюче вплив на суглоби.
При динамічній роботі рух в суглобах відбувається в результаті невідповідності м’язових і механічних сил. Динамічна робота м’язів підрозділяється на преодолевающую і поступливу. При долає роботі м’язова сила більше протидіючої сили і в результаті скорочення м’язів долається опір, тобто проводиться переміщення частини тіла або вантажу. Поступлива робота м’язів виникає в тому випадку, якщо м’язові сили менше моменту протидіючих сил і настає розтягування скороченою м’яза. Цей вид роботи м’язів є важливим і необхідним для забезпечення плавності та еластичності рухів. Якби не було подібного регулятора, рухи були б штовхоподібними і малокоордінірованнимі.
Види м’язової роботи в процесі побудови рухів часто чергуються. Наприклад, при відведенні руки дельтовидні м’яз виконує долають роботу. При утриманні руки в горизонтальному положенні проводиться статична (утримуюча) робота м’яза, а при приведенні цієї руки-поступлива робота. Таким чином, в кожному виді рухів на перший план виступає той чи інший вид м’язової роботи.
Антагоністи і синергисти. До антагоністам відносяться всі м’язи, які по своїй функції діють у бік, протилежний іншій групі м’язів. Наприклад, м’язи-згиначі плеча є антагоністами розгиначів плеча. До Синергіст відносяться всі м’язи, які, скорочуючись, одночасно діють на суглоб, перебуваючи по одну сторону його осі. Прикладом можуть служити згиначі передпліччя і плеча, що викликають згинання в ліктьовому суглобі. Функції антагоністів і синергіст можуть чергуватися. При виконанні згинання та розгинання в променевозап’ястному суглобі, з одного боку, променевої та ліктьової згиначі, а з іншого – розгиначі кисті є антагоністами. І, навпаки, якщо виконувати приведення і відведення кисті, вони стають синергістами.
Одно-та многосуставние м’язи. Односуглобні м’язи впливають на один суглоб, многосуставние – втягують у рух два суглоби і більше. Відносна довжина одно-та многосуставних м’язів різна. Односуглобні м’язи мають достатню довжину, щоб забезпечити розмах рухів по повній дузі, можливої ​​в даному суглобі. Многосуставние м’язи щодо коротше і не можуть забезпечити такий розмах у всіх суглобах при одночасному русі. У цьому легко переконатися на прикладі роботи м’язів, що знаходяться близько тазостегнового суглоба. Прирозігнути колінному суглобі амплітуда згинання в тазостегновому суглобі буде менше, ніж при зігнутому колінному суглобі. Прирозігнути колінному суглобі м’яза задньої поверхні стегна (а вони многосуставние) натягаються, так як їх відносна довжина буде менше, і це гальмує згинання в тазостегновому суглобі. Отже, ступінь рухливості в суглобах не тільки визначається формою суглоба і його зв’язковим апаратом, але і залежить від довжини м’язів, які не завжди можуть використовувати всю резервну можливість для скорочення і повністю виконати рух. Особливістю функції многосуставних м’язів є їх участь в м’язової координації, тобто пристосувальної особливості організму. При м’язової координації значно економляться витрати м’язової енергії. При багатьох рухах необхідно активне скорочення тільки односуглобних м’язів, а в інших суглобах відбувається рух за рахунок тонусу, еластичності многосуставних м’язів і сили тяжіння. Ця координуюча робота многосуставних м’язів добре виражена на нижньої кінцівки. При скороченні м’язів, що лежать попереду тазостегнового суглоба, відбувається згинання не тільки стегна, але і в колінному суглобі. Згинання в колінному суглобі настає внаслідок відносної недостатності довжини многосуставних задніх м’язів стегна. Розгинання в гомілковостопному суглобі відбувається завдяки розслабленню литкового м’яза. Отже, тільки скорочення однієї передньої групи м’язів близько тазостегнового суглоба призводить без витрати енергії за принципом координації до виконання рухів у колінному і гомілковостопному суглобах. При виконанні протилежної руху (розгинання в тазостегновому суглобі) відбудеться пасивне розгинання в колінному суглобі за рахунок відносної недостатності передніх м’язів стегна, а в гомілковостопному суглобі настане згинання внаслідок підвищення тонусу литкового м’яза.
Додавання сил скорочувальних м’язів. При скороченні м’яза виникає активна рухова сила, яка прагне зблизити punctum mobile і punctum fixum. М’язова сила характеризується ступенем скорочення м’язи, здатної при порушенні утримати в цьому стані вантаж до 4-6 кг на 1 см2 поперечника м’яза. Величина сили залежить від вихідної довжини м’язових волокон. Попередньо, але не надмірно розтягнута м’яз розвиває більш високу напругу. Активна м’язова сила найбільше розвивається в м’язах, побудованих з довгих волокон (широкі і веретеноподібні м’язи). М’яз може скоротитися на 50-57% початкової її довжини, але зважаючи обмеження ступенів свободи суглобів вона скорочується, як правило, на 35%.
Активна м’язова сила групи м’язів (синергистов або антагоністів) складається із суми підйомної сили кожного м’яза, а точка прикладання цієї сили розташовується між місцями прикріплення всіх довгих м’язів. Проте у людини тільки одиничні м’язи займають паралельне один одному положення. Здебільшого їх рівнодіюча знаходяться під певним кутом, утворюючи паралелограми сил.
Паралелограми сил. Знаходячись під кутом один до одного, м’язи тягнуть кістка в різних напрямках. У цьому випадку рух кістки відбувається не по рівнодіючої однієї або другої м’язи, а по діагоналі паралелограма, побудованого скорочуються м’язами. Паралелограми сил можуть формуватися і цілими м’язовими групами.

Comments are closed.